الديناميكا الحرارية هي أحد مجالات الفيزياء المتعلقة بنقل الطاقة الحرارية. غالبًا ما يُفهم من منظور مجموعة من القوانين.
يساعد القانون الصفري في تعريفمفهوم درجة الحرارة، كما هو الحال مع التوازن الحراري بين الأشياء. تتدفق الحرارة من مادة أكثر سخونة إلى مادة أكثر برودة ، ويحدث التوازن الحراري ، الذي يسمى أحيانًا التوازن الديناميكي الحراري ، عندما لا يكون هناك تدفق صافٍ للحرارة. يحدث هذا عندما تكون الأجسام في نفس درجة الحرارة.
ما هو قانون Zeroth للديناميكا الحرارية؟
كانت هناك في الأصل ثلاثة قوانين مركزية للديناميكا الحرارية. ومع ذلك ، أدرك العلماء في أوائل القرن العشرين أن قانونًا آخر أكثر أساسية كان ضروريًا لنظرياتهم لتكون كاملة وصحيحة. لأن هذا القانون كان يعتبر أكثر جوهرية من غيره ، حيث أطلق عليه القانون الرابع لا تبدو الديناميكا الحرارية مناسبة ، لذلك تم وضع القانون الصفري لإظهار أنه يحل محل كل شيء الاخرون.
ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنه إذا كان النظام الحراري A في حالة توازن حراري مع النظام الحراري B ، والنظام الحراري B في حالة توازن حراري مع النظام الحراري C ، ثم يجب أن يكون A في حالة توازن حراري مع ج.
وهذا ما يسمى بعلاقة متعدية، وهو شائع أيضًا في الجبر: إذا كان A = B و B = C ، فإن A = C. يمثل القانون الصفري للديناميكا الحرارية هذا المفهوم مع درجة الحرارة.
أهمية قانون Zeroth للديناميكا الحرارية
غالبًا ما تستلزم النظريات الرياضية علاقة تسمى علاقة التكافؤ: طريقة لقول ما إذا كان شيئين متشابهين أم لا. القانون الصفري هو علاقة التكافؤ للديناميكا الحرارية لأنه يوفر المفهوم الرياضي لدرجة الحرارة ويسمح بوجود موازين الحرارة الفيزيائية.
المفهوم الرئيسي هو الفرق بين الطاقة ودرجة الحرارة. إن معرفة مقدار الطاقة التي يمتلكها جسمان منفردان لا يكفي لمعرفة الطريقة التي ستتدفق بها الحرارة عند ملامستها. إن درجات الحرارة النسبية للنظامين هي التي تحدد اتجاه تدفق الحرارة.
لكن كيف يمكن قياس درجة الحرارة؟ عادةً ما يكون مقياس الحرارة عبارة عن جسم يُظهر خصائص معروفة ومعايرة اعتمادًا على درجة حرارته. على سبيل المثال ، يتمدد الزئبق في الحجم بطريقة محددة جيدًا مع ارتفاع درجة حرارته. إن وضع مقياس الحرارة في توازن حراري مع شيء ما ثم مراقبة تلك الخصائص ، مثل مقدار تمدد الزئبق ، هو طريقة لقياس درجة حرارة الجسم.
يمكن ملاحظة أهمية القانون الصفري عند محاولة مقارنة درجات حرارة جسمين. إذا تم وضع مقياس حرارة في السائل A ، فإنه يصبح في حالة توازن حراري مع هذا السائل ويقرأ درجة حرارة معينة.
إذا تم وضع مقياس الحرارة هذا بعد ذلك في السائل B ، فإنه يصل إلى التوازن الحراري ويقرأ نفس درجة الحرارة بالضبط كما فعل عندما كان في حالة توازن حراري مع السائل أ ، القانون الصفري هو ما يسمح لنا أن نقول أن السائل أ والسائل ب متماثلان درجة الحرارة.
قوانين أخرى للديناميكا الحرارية
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الطاقة الكلية لنظام معزول هيثابت. دائمًا ما يساوي التغيير في الطاقة الداخلية للنظام تمامًا الفرق بين الحرارة الموضوعة في النظام والعمل الذي يقوم به النظام في بيئته.
ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنمجموع الانتروبيامن نظام معزول لا يمكن أن ينخفض بمرور الوقت. الانتروبيا الكلية للنظام المعزولويمكن أن يظل محيطه ثابتًا في بعض الحالات المثالية ، لكنه لا يمكن أن ينخفض أبدًا.
ينص القانون الثالث للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا النظام المعزول تصبح ثابتة عندما تقترب درجة حرارته من الصفر المطلق. لا يمكن أن تعتمد هذه القيمة الثابتة للإنتروبيا على أي معلمات أخرى للنظام ، مثل حجمه أو ضغطه.