Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Қалдық энтропия — абсолюттік нөлге жақын температурадағы заттың тепе-теңдіксіз күйі мен кристалл күйі арасындағы энтропия айырмашылығы. Бұл термин конденсирленген заттар физикасында шыны немесе пластикалық кристалдың нөл кельвиндегі энтропиясын сипаттау үшін қолданылады, ол үшінші термодинамика заңына сәйкес кристалл күйінің энтропиясы нөлге тең болады. Егер материал салқындатылған кезде көптеген әртүрлі күйде болуға мүмкіндігі болса, онда бұл құбылыс пайда болады. Тепе-теңдіксіз күйдегі ең көп таралған күй — шыны күйі. Көп таралған мысал — өте кішкентай дипольдық моменті бар көміртек оксиді. Көміртек оксиді кристаллы абсолюттік нөлге дейін салқындатылғанда, көміртек оксиді молекулаларының азы ғана өзін идеалды кристаллға (барлық көміртек оксиді молекулалары бір бағытта бағытталған) сәйкестендіру үшін жеткілікті уақыт табады. Осы себепті кристалл әртүрлі микрокүйлермен күйде қалады, нәтижесінде нөлдің орнына қалдық энтропия пайда болады. Тағы бір мысал — кез келген аморфты қатты дене (шыны). Бұл денелерде қалдық энтропия болады, себебі атомдық деңгейдегі микроскопиялық құрылым макроскопиялық жүйеде сан алуан тәсілдермен орналаса алады. Қалдық энтропияның басқа қалдық қасиеттерге қарағанда ерекше маңызы бар, өйткені ол қалдық энтропия масштабтау аясындағы рөл атқарады, ол көліктік коэффициенттерді (тепе-теңдіксіз құбылыстарды басқаратын коэффициенттер) тепе-теңдік қасиетінен, яғни кез келген күй теңдеуінен тікелей есептеуге болатын қалдық энтропиядан есептеуге мүмкіндік береді.
Residual entropy is the difference in entropy between a non equilibrium state and crystal state of a substance close to absolute zero. This term is used in condensed matter physics to describe the entropy at zero kelvin of a glass or plastic crystal referred to the crystal state, whose entropy is zero according to the third law of thermodynamics. It occurs if a material can exist in many different states when cooled. The most common non equilibrium state is vitreous state, glass. A common example is the case of carbon monoxide, which has a very small dipole moment. As the carbon monoxide crystal is cooled to absolute zero, few of the carbon monoxide molecules have enough time to align themselves into a perfect crystal (with all of the carbon monoxide molecules oriented in the same direction). Because of this, the crystal is locked into a state with different corresponding microstates, giving a residual entropy of , rather than zero. Another example is any amorphous solid (glass). These have residual entropy, because the atom by atom microscopic structure can be arranged in a huge number of different ways across a macroscopic system. The residual entropy has a somewhat special significance compared to other residual properties, in that it has a role in the framework of residual entropy scaling, which is used to compute transport coefficients (coefficients governing non equilibrium phenomena) directly from the equilibrium property residual entropy, which can be computed directly from any equation of state.
Тарих
Паулинг су мұзын сипаттау үшін қалдық энтропияның алғашқы мысалын көрсетті. Суда әрбір оттегі атомы екі сутек атомымен байланысқан. Дегенмен, су қатып қалғанда тетрагональды құрылым түзеді, онда әрбір оттегі атомы төрт сутек көршісіне ие болады (жақын орналасқан су молекулаларының әсерінен). Сутек атомдары оттегі атомдарының арасында орналасқандықтан, әр оттегі атомында екі "жақын" сутек атомы бар және белгілі бір еркіндік дәрежесіне ие, осылайша дәстүрлі H2O су молекуласын құрайды. Алайда, мұндай конфигурациядағы су молекулаларының көп саны үшін сутек атомдары 2 кіріс, 2 шығыс ережесіне сәйкес келетін көптеген мүмкін конфигурациялар бар екені анықталды (әр оттегі атомында екі "жақын" (немесе "ішкі") және екі "алыс" (немесе "сыртқы") сутек атомы болуы керек). Бұл еркіндік абсолюттік нөлге дейін сақталады, бұл бұрын бірегей конфигурация ретінде қарастырылған. Абсолюттік нөлдің ережелеріне сәйкес келетін (әр O үшін 2 кіріс, 2 шығыс) осы көптеген конфигурациялардың (OO осьтері бойымен бағдарланған әр H үшін таңдаулар) болуы кездейсоқтыққа, яғни энтропияға тең. Осылайша, абсолюттік нөлде немесе оған жақын бірнеше конфигурацияларды қабылдай алатын жүйелерде қалдық энтропия бар деп есептеледі. Су мұзы қалдық энтропия ұсынылған алғашқы материал болғанымен, зерттеу үшін таза, ақаусыз су мұзы кристалдарын дайындау өте қиын. Сондықтан, қалдық энтропияны көрсететін басқа жүйелерді табу үшін көптеген зерттеулер жүргізілді. Әсіресе геометриялық тұрғыдан бұзылған жүйелерде қалдық энтропия жиі кездеседі. Маңызды мысал – спиндік мұз, бұл геометриялық тұрғыдан бұзылған магниттік материал, онда магниттік атомдардың магниттік моменттері Изинг тәрізді магниттік спиндерге ие және бұрыштарын бөлісетін тетраэдрлер желісінің бұрыштарында орналасқан. Бұл материал су мұзына ұқсас, бірақ тетраэдр бұрыштарындағы спиндер тетраэдрдің ішіне немесе сыртына қарай бағытталуы мүмкін, осылайша су мұзындағыдай 2 кіріс, 2 шығыс ережесін құрады және сол қалдық энтропияны тудырады. Геометриялық тұрғыдан бұзылған магниттік материалдардың, мысалы спиндік мұздың қызықты қасиеттерінің бірі – қалдық энтропия деңгейін сыртқы магнит өрісін қолдану арқылы реттеу мүмкіндігі. Бұл қасиет бір реттік тоңазытқыш жүйелерді жасау үшін қолданылуы мүмкін.
One of the first examples of residual entropy was pointed out by Pauling to describe water ice. In water, each oxygen atom is bonded to two hydrogen atoms. However, when water freezes it forms a tetragonal structure where each oxygen atom has four hydrogen neighbors (due to neighboring water molecules). The hydrogen atoms sitting between the oxygen atoms have some degree of freedom as long as each oxygen atom has two hydrogen atoms that are 'nearby', thus forming the traditional H2O water molecule. However, it turns out that for a large number of water molecules in this configuration, the hydrogen atoms have a large number of possible configurations that meet the 2 in 2 out rule (each oxygen atom must have two 'near' (or 'in') hydrogen atoms, and two far (or 'out') hydrogen atoms). This freedom exists down to absolute zero, which was previously seen as an absolute one of a kind configuration. The existence of these multiple configurations (choices for each H of orientation along O O axis) that meet the rules of absolute zero (2 in 2 out for each O) amounts to randomness, or in other words, entropy. Thus systems that can take multiple configurations at or near absolute zero are said to have residual entropy. Although water ice was the first material for which residual entropy was proposed, it is generally very difficult to prepare pure defect free crystals of water ice for studying. A great deal of research has thus been undertaken into finding other systems that exhibit residual entropy. Geometrically frustrated systems in particular often exhibit residual entropy. An important example is spin ice, which is a geometrically frustrated magnetic material where the magnetic moments of the magnetic atoms have Ising like magnetic spins and lie on the corners of network of corner sharing tetrahedra. This material is thus analogous to water ice, with the exception that the spins on the corners of the tetrahedra can point into or out of the tetrahedra, thereby producing the same 2 in, 2 out rule as in water ice, and therefore the same residual entropy. One of the interesting properties of geometrically frustrated magnetic materials such as spin ice is that the level of residual entropy can be controlled by the application of an external magnetic field. This property can be used to create one shot refrigeration systems.