잔류 엔트로피

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잔류 엔트로피는 비균형 상태와 절대 영도에 가까운 물질의 결정 상태 사이의 엔트로피 차이다. 이 용어는 결정 상태에 언급된 유리나 플라스틱 결정의 0켈빈에서의 엔트로피를 설명하기 위해 응축 물질 물리학에서 사용되며, 엔트로피는 열역학 제3법칙에 따라 0이다. 그것은 어떤 물질이 식었을 때 여러 가지 다른 상태에 존재할 수 있는 경우에 발생한다. 가장 흔한 불균형 상태는 유리, 유리다.

일반적인 예로 쌍극자 모멘트가 매우 작은 일산화탄소의 경우를 들 수 있다. 일산화탄소 결정체가 절대 0으로 냉각되기 때문에 (모든 일산화탄소 분자가 동일한 방향을 향하도록) 완벽한 결정으로 정렬할 수 있는 충분한 시간을 갖는 일산화탄소 분자는 거의 없다. 이 때문에 수정은 ${\displaystyle {2N}^{}}$ ${\$ 2$^{N}$ 서로 다른$$ 해당 마이크로스테이트가 있는 상태로 잠겨 있어 0이 아닌 $S{\displaystyle }$= ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \mathrm{kn}}$⁡${\displaystyle }$( ${\displaystyle 2}$ $){\displaystyle S=Nk\ln(2$의 잔류 엔트로피를 준다.

또 다른 예는 모든 비정형 고체(유리)이다. 원자별 미세한 구조가 거시적인 시스템에 걸쳐 엄청나게 다양한 방법으로 배열될 수 있기 때문에 이것들은 잔여 엔트로피를 가지고 있다.

역사

잔존 엔트로피의 첫 번째 예 중 하나는 폴링에 의해 물 얼음을 묘사하기 위해 지적되었다. 물에서는 각각의 산소 원자가 두 개의 수소 원자에 결합된다. 그러나 물이 얼면 각 산소 원자가 (주변 물 분자 때문에) 수소 이웃 4개를 갖는 4각형 구조를 형성한다. 산소 원자 사이에 앉아 있는 수소 원자는 각 산소 원자가 '가까이' 있는 두 개의 수소 원자를 가지고 있는 한 어느 정도 자유도가 있어 전통적인 HO₂ 물 분자를 형성한다. 그러나 이 구성에서 많은 수의 물 분자에 대해 수소 원자는 2-in 2-out 규칙(각 산소 원자는 '가까이'(또는 '인')의 수소 원자와 멀리(또는 '아웃')의 수소 원자를 가져야 한다)을 충족하는 가능한 구성 수가 많은 것으로 밝혀졌다. 이 자유는 절대 0까지 존재하는데, 이전에는 절대적으로 독특한 구성으로 여겨졌던 것이다. 절대 0(각 O에 대해 2in 2-out)의 규칙을 만족하는 이러한 다중 구성(O-O 축을 따라 방향 H의 각 H에 대한 결정)의 존재는 랜덤성, 즉 엔트로피에 해당한다. 따라서 절대 영점 또는 절대 영점에 가까운 다중 구성을 취할 수 있는 시스템은 잔류 엔트로피를 가지고 있다고 한다.^[1]

잔존 엔트로피가 처음 제안된 소재였지만, 일반적으로 연구를 위한 순수 결점 없는 물 얼음 결정체를 준비하기는 매우 어렵다. 따라서 잔류 엔트로피를 보이는 다른 시스템을 찾기 위해 많은 연구가 진행되었다. 특히 기하학적으로 좌절된 시스템은 종종 잔여 엔트로피를 나타낸다. 중요한 예가 스핀얼스인데, 이것은 자성 원자의 자기 모멘트가 Ising과 같은 자기 스핀을 가지고 있고 코너 공유 사트라헤드라의 네트워크 모서리에 놓여 있는 기하학적으로 좌절된 자성 물질이다. 따라서 이 물질은 4면체의 모서리에 있는 스핀들이 4면체를 가리키거나 밖으로 향할 수 있다는 예외를 제외하고는 물 얼음과 유사하며, 따라서 물 얼음에서와 동일한 2인치, 2-아웃 규칙을 생성하며, 따라서 동일한 잔류 엔트로피를 생성한다. 스핀아이스와 같은 기하학적으로 좌절된 자성 물질의 흥미로운 특성 중 하나는 외부 자기장의 응용에 의해 잔류 엔트로피의 수준을 조절할 수 있다는 것이다. 이 성질은 원샷 냉동장치를 만드는 데 사용될 수 있다.

참고 항목

• 얼음 속의 양성자 장애
• 얼음 규칙
• 기하학적 좌절

메모들