La entropía residual es la diferencia de entropía entre un estado de no equilibrio y un estado cristalino de una sustancia cercana al cero absoluto . Este término se utiliza en física de la materia condensada para describir la entropía en kelvin cero de un cristal de vidrio o plástico referido al estado cristalino, cuya entropía es cero según la tercera ley de la termodinámica . Ocurre si un material puede existir en muchos estados diferentes cuando se enfría. El estado de desequilibrio más común es el estado vítreo, vidrio .
Un ejemplo común es el caso del monóxido de carbono , que tiene un momento dipolar muy pequeño . A medida que el cristal de monóxido de carbono se enfría al cero absoluto, pocas moléculas de monóxido de carbono tienen tiempo suficiente para alinearse formando un cristal perfecto (con todas las moléculas de monóxido de carbono orientadas en la misma dirección). Debido a esto, el cristal queda encerrado en un estado con diferentes microestados correspondientes , dando una entropía residual de , en lugar de cero.
Otro ejemplo es cualquier sólido amorfo ( vidrio ). Estos tienen entropía residual, porque la estructura microscópica átomo por átomo se puede organizar de muchas maneras diferentes en un sistema macroscópico.
La entropía residual tiene un significado algo especial en comparación con otras propiedades residuales , ya que tiene un papel en el marco del escalamiento de la entropía residual, [1] que se utiliza para calcular los coeficientes de transporte (coeficientes que gobiernan los fenómenos de no equilibrio ) directamente desde el equilibrio. Entropía residual de propiedad , que se puede calcular directamente a partir de cualquier ecuación de estado .
Uno de los primeros ejemplos de entropía residual lo señaló Pauling al describir el hielo de agua . En el agua, cada átomo de oxígeno está unido a dos átomos de hidrógeno. Sin embargo, cuando el agua se congela, forma una estructura tetragonal donde cada átomo de oxígeno tiene cuatro vecinos de hidrógeno (debido a las moléculas de agua vecinas). Los átomos de hidrógeno que se encuentran entre los átomos de oxígeno tienen cierto grado de libertad siempre que cada átomo de oxígeno tenga dos átomos de hidrógeno que estén "cerca", formando así la tradicional molécula de agua H 2 O. Sin embargo, resulta que para una gran cantidad de moléculas de agua en esta configuración, los átomos de hidrógeno tienen una gran cantidad de configuraciones posibles que cumplen con la regla 2-en-2-out (cada átomo de oxígeno debe tener dos 'cercanos' (o ' dentro') átomos de hidrógeno, y dos átomos de hidrógeno lejanos (o 'fuera'). Esta libertad existe hasta el cero absoluto, que antes se consideraba una configuración absoluta y única. La existencia de estas múltiples configuraciones (elecciones para cada H de orientación a lo largo del eje O--O) que cumplen las reglas del cero absoluto (2-en 2-out para cada O) equivale a aleatoriedad o, en otras palabras, entropía. Por tanto, se dice que los sistemas que pueden adoptar múltiples configuraciones en el cero absoluto o cerca de él tienen entropía residual. [2]
Aunque el hielo de agua fue el primer material para el que se propuso la entropía residual, generalmente es muy difícil preparar cristales de hielo de agua puros y libres de defectos para su estudio. Por tanto, se han realizado muchas investigaciones para encontrar otros sistemas que exhiban entropía residual. En particular, los sistemas geométricamente frustrados a menudo exhiben entropía residual. Un ejemplo importante es el hielo de espín , que es un material magnético geométricamente frustrado donde los momentos magnéticos de los átomos magnéticos tienen espines magnéticos similares a los de Ising y se encuentran en las esquinas de una red de tetraedros que comparten esquinas. Por lo tanto, este material es análogo al hielo de agua, con la excepción de que los espines en las esquinas de los tetraedros pueden apuntar hacia dentro o fuera de los tetraedros, produciendo así la misma regla de 2 adentro, 2 afuera que en el hielo de agua y, por lo tanto, el misma entropía residual. Una de las propiedades interesantes de los materiales magnéticos geométricamente frustrados, como el hielo de espín, es que el nivel de entropía residual puede controlarse mediante la aplicación de un campo magnético externo. Esta propiedad se puede utilizar para crear sistemas de refrigeración de un solo uso.
