법칙완성

열역학 제3법칙 (Third Law of Thermodynamics)

1. 네른스트 정리

법칙3.1열역학 제3법칙 (네른스트 진술)

네른스트 정리(Nernst theorem, 1906): 절대 영도에 접근할 때, 등온 과정에서의 엔트로피 변화는 0에 수렴한다.

limT0ΔST=0\lim_{T \to 0} \Delta S_T = 0

즉, T0T \to 0에서 엔트로피는 온도 이외의 다른 변수(압력, 부피, 자기장 등)에 무관한 상수가 된다.

limT0S(T,X)=S0(모든 X에 대해)\lim_{T \to 0} S(T, X) = S_0 \quad (\text{모든 } X \text{에 대해})

2. 플랑크의 강화 진술

법칙3.2열역학 제3법칙 (플랑크 진술)

플랑크(Planck)는 네른스트 정리를 강화하여, 완전 결정(perfect crystal)의 절대 영도에서의 엔트로피는 정확히 0이라고 진술했다.

limT0S=0(완전 결정)\lim_{T \to 0} S = 0 \qquad (\text{완전 결정})

이는 통계역학적으로, 절대 영도에서 계가 유일한 바닥상태(unique ground state)에 있으며, 미시상태의 수가 Ω=1\Omega = 1이 되어

S=kBlnΩ=kBln1=0S = k_B \ln \Omega = k_B \ln 1 = 0

임을 의미한다.

참고잔류 엔트로피

바닥상태가 축퇴(degenerate)된 경우, Ω0>1\Omega_0 > 1이면 절대 영도에서도

S0=kBlnΩ0>0S_0 = k_B \ln \Omega_0 > 0

잔류 엔트로피(residual entropy)가 존재한다. 대표적 예:

  • 얼음(ice): 수소 결합의 배향 무질서로 S0Rln(3/2)3.37J/(molK)S_0 \approx R \ln(3/2) \approx 3.37\,\text{J/(mol}\cdot\text{K)} (Pauling 계산)
  • CO 결정: 분자의 배향 무질서로 S0Rln2S_0 \approx R\ln 2

3. 절대 영도 도달 불가능성

법칙3.3절대 영도 도달 불가능성

유한 번의 과정으로는 계의 온도를 절대 영도(T=0T = 0)까지 내릴 수 없다.

T=0에 도달하려면 무한 단계가 필요하다.T = 0 \text{에 도달하려면 무한 단계가 필요하다.}

이는 제3법칙의 동치 진술이다. 단열 감자(adiabatic demagnetization) 등의 냉각 과정에서, 매 단계마다 도달 가능한 최저 온도가 점점 0에 가까워지지만, 유한 단계로는 정확히 0에 도달하지 못한다.

4. 제3법칙의 물리적 귀결

정의3.1저온에서의 열용량 거동

제3법칙으로부터, T0T \to 0에서 열용량은 반드시 0으로 수렴해야 한다.

limT0CP=0,limT0CV=0\lim_{T \to 0} C_P = 0, \qquad \lim_{T \to 0} C_V = 0

증명: S(T)=S(0)+0TC(T)TdTS(T) = S(0) + \int_0^T \frac{C(T')}{T'}\,dT'에서 S(0)=0S(0) = 0이고 적분이 수렴하려면 C(T)0C(T) \to 0이어야 한다.

이는 고전역학의 등분배 정리(CV=constC_V = \text{const})와 모순되며, 저온 물리에서 양자효과의 필요성을 보여준다.

실제 물질에서의 저온 열용량:

  • 금속: CγT+AT3C \sim \gamma T + AT^3 (전자 기여 + 포논 기여)
  • 절연체: CT3C \sim T^3 (데바이 T3T^3 법칙)
  • 초전도체: CeΔ/kBTC \sim e^{-\Delta/k_BT} (에너지 갭)

5. 제3법칙과 열팽창

예제저온에서의 열팽창계수

제3법칙으로부터 열팽창계수도 절대 영도에서 0으로 수렴한다.

limT0α=1V(VT)P=0\lim_{T \to 0} \alpha = \frac{1}{V}\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P = 0

증명: 맥스웰 관계식으로부터

(VT)P=(SP)T\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_P = -\left(\frac{\partial S}{\partial P}\right)_T

제3법칙에 의해 T0T \to 0에서 SSPP에 무관한 상수가 되므로

limT0(SP)T=0    limT0α=0\lim_{T \to 0}\left(\frac{\partial S}{\partial P}\right)_T = 0 \implies \lim_{T \to 0} \alpha = 0

마찬가지로, 등온 압축률의 온도 의존성에 대해서도

limT0(κTT)P=0\lim_{T \to 0}\left(\frac{\partial \kappa_T}{\partial T}\right)_P = 0

6. 통계역학적 관점

참고양자 바닥상태와 제3법칙

통계역학에서 제3법칙은 양자역학적 바닥상태의 성질과 직결된다.

온도 TT에서의 정준 분배함수:

Z=ngneEn/kBTZ = \sum_n g_n \, e^{-E_n / k_B T}

T0T \to 0에서 Zg0eE0/kBTZ \to g_0 \, e^{-E_0/k_BT}이므로

S=kB(lnZ+EkBT)T0kBlng0S = k_B \left(\ln Z + \frac{\langle E \rangle}{k_B T}\right) \xrightarrow{T \to 0} k_B \ln g_0

여기서 g0g_0은 바닥상태의 축퇴도이다. g0=1g_0 = 1이면 S0S \to 0이다.

거시적 계에서 g0eaNg_0 \sim e^{aN} (a>0a > 0)이면 잔류 엔트로피 S0=aNkBS_0 = aNk_B가 크기변수로서 존재하며, 이는 플랑크 진술의 예외가 된다. 그러나 이러한 축퇴는 보통 약한 상호작용에 의해 궁극적으로 깨진다.