L'entropia residual és la diferència d'entropia entre un estat de no equilibri i un estat cristal·lí d'una substància proper al zero absolut. Aquest terme s'utilitza en física de la matèria condensada per descriure l'entropia a zero kelvin d'un cristall de vidre o plàstic referit a l'estat cristal·lí, l'entropia del qual és zero segons la tercera llei de la termodinàmica. Ocorre si un material pot existir en molts estats diferents quan es refreda. L'estat de no equilibri més comú és l'estat vitri, el vidre.
Un exemple comú és el cas del monòxid de carboni, que té un moment dipolar molt petit. A mesura que el cristall de monòxid de carboni es refreda fins al zero absolut, poques molècules de monòxid de carboni tenen prou temps per alinear-se en un cristall perfecte (amb totes les molècules de monòxid de carboni orientades en la mateixa direcció). A causa d'això, el cristall està bloquejat en un estat amb diferents microestats corresponents, donant una entropia residual de , en lloc de zero.
Un altre exemple és qualsevol sòlid amorf (vidre). Aquests tenen entropia residual, perquè l'estructura microscòpica àtom per àtom es pot organitzar de moltes maneres diferents en un sistema macroscòpic.
L'entropia residual té una importància una mica especial en comparació amb altres propietats residuals, ja que té un paper en el marc de l'escalat d'entropia residual, que s'utilitza per calcular els coeficients de transport (coeficients que governen fenòmens de no equilibri) directament a partir de la propietat d'equilibri entropia residual, que es pot calcular directament a partir de qualsevol equació d'estat.
Història Un dels primers exemples d'entropia residual va ser assenyalat per Pauling per descriure el gel d'aigua. En l'aigua, cada àtom d'oxigen està unit a dos àtoms d'hidrogen. Tanmateix, quan l'aigua es congela forma una estructura tetragonal on cada àtom d'oxigen té quatre veïns d'hidrogen (a causa de les molècules d'aigua veïnes). Els àtoms d'hidrogen que es troben entre els àtoms d'oxigen tenen un cert grau de llibertat sempre que cada àtom d'oxigen tingui dos àtoms d'hidrogen que siguin "a prop", formant així la molècula d'aigua tradicional d'H2O. Tanmateix, resulta que per a un gran nombre de molècules d'aigua en aquesta configuració, els àtoms d'hidrogen tenen un gran nombre de configuracions possibles que compleixen la regla 2-dins 2-fora (cada àtom d'oxigen ha de tenir dos àtoms d'hidrogen "propers" (o "dins") i dos àtoms d'hidrogen llunyans (o "fora")). Aquesta llibertat existeix fins al zero absolut, que abans es considerava una configuració absolutament única. L'existència d'aquestes múltiples configuracions (opcions per a cada H d'orientació al llarg de l'eix O--O) que compleixen les regles del zero absolut (2-in 2-out per a cada O) equival a aleatorietat, o en altres paraules, entropia. Així, es diu que els sistemes que poden prendre múltiples configuracions al zero absolut o a prop d'aquest tenen entropia residual.
Tot i que el gel d'aigua va ser el primer material per al qual es va proposar l'entropia residual, generalment és molt difícil preparar cristalls purs i sense defectes de gel d'aigua per al seu estudi. Per tant, s'ha dut a terme una gran quantitat de recerca per trobar altres sistemes que presentin entropia residual. Els sistemes geomètricament frustrats, en particular, sovint presenten entropia residual. Un exemple important és el gel d'espín, que és un material magnètic geomètricament frustrat on els moments magnètics dels àtoms magnètics tenen espíns magnètics de tipus Ising i es troben a les cantonades d'una xarxa de tetraedres que comparteixen cantonades. Aquest material és, doncs, anàleg al gel d'aigua, amb l'excepció que els espins de les cantonades dels tetraedres poden apuntar cap a dins o cap a fora dels tetraedres, produint així la mateixa regla 2-dins, 2-fora que en el gel d'aigua, i per tant la mateixa entropia residual. Una de les propietats interessants dels materials magnètics geomètricament frustrats, com el gel d'espín, és que el nivell d'entropia residual es pot controlar mitjançant l'aplicació d'un camp magnètic extern. Aquesta propietat es pot utilitzar per crear sistemes de refrigeració d'un sol cop.
Referències
Categoria:Termodinàmica