Termodynamika je oblast fyziky týkající se přenosů tepelné energie. Často se to chápe ve smyslu souboru zákonů.
Nulový zákon pomáhá definovatpojem teploty, jak to má co do činění s tepelnou rovnováhou mezi objekty. Teplo proudí z teplejší hmoty do chladnější hmoty a tepelná rovnováha, někdy nazývaná termodynamická rovnováha, nastává, když neexistuje žádný čistý tok tepla. K tomu dochází, když mají objekty stejnou teplotu.
Co je nultý zákon termodynamiky?
Původně existovaly tři centrální zákony termodynamiky. Vědci si však na počátku 20. století uvědomili, že pro úplnost a správnost jejich teorií je nezbytný další, základní zákon. Protože tento zákon byl považován za zásadnější než ostatní, nazýval ho čtvrtým zákonem z termodynamika se nezdála vhodná, takže byl vytvořen nulový zákon, který ukazuje, že nahrazuje vše ostatní.
Nulový zákon termodynamiky říká, že pokud je tepelný systém A v tepelné rovnováze s tepelným systémem B, a tepelný systém B je v tepelné rovnováze s tepelným systémem C, pak A musí být v tepelné rovnováze s C.
Tomu se říká atranzitivní vztah, a je také běžně vidět v algebře: Pokud A = B a B = C, pak A = C. Nulový zákon termodynamiky představuje tento koncept s teplotou.
Význam nultého zákona termodynamiky
Matematické teorie často vyžadují vztah zvaný vztah ekvivalence: Způsob, jak říci, zda jsou dvě věci stejné nebo ne. Nulovým zákonem je ekvivalenční vztah termodynamiky, protože poskytuje matematický koncept teploty a umožňuje existenci fyzikálních teploměrů.
Klíčovým konceptem je rozdíl mezi energií a teplotou. Vědět, kolik energie mají dva jednotlivé objekty, nestačí k tomu, abychom věděli, jakým způsobem bude teplo proudit, když se dostanou do kontaktu. Je to relativní teplota dvou systémů, které určují směr toku tepla.
Jak lze ale měřit teplotu? Teploměr je obvykle objekt, který vykazuje známé a kalibrované vlastnosti v závislosti na jeho teplotě. Například rtuť při zahřátí přesně definovaným způsobem expanduje do objemu. Uvedení teploměru do tepelné rovnováhy s objektem a následné pozorování těchto vlastností, například toho, jak moc se rtuť rozšířila, je způsob, jak měřit teplotu objektu.
Důležitost nultého zákona lze vidět při pokusu o porovnání teplot dvou objektů. Pokud je teploměr umístěn v kapalině A, dostane se do tepelné rovnováhy s touto kapalinou a odečte určitou teplotu.
Pokud je tento teploměr poté umístěn do kapaliny B, dosáhne tepelné rovnováhy a přečte přesně stejnou teplotu, jakou udělal, když byl v tepelné rovnováze s kapalinou A, nultý zákon je to, co nám umožňuje říci, že kapalina A a kapalina B jsou stejné teplota.
Další termodynamické zákony
První zákon termodynamiky říká, že celková energie izolované soustavy jekonstantní. Změna vnitřní energie systému se vždy přesně rovná rozdílu mezi teplem vloženým do systému a prací, kterou systém provádí na svém prostředí.
Druhý zákon termodynamiky uvádí, žeúplná entropieizolovaného systému se nikdy nemůže časem snížit. Celková entropie izolovaného systémuajeho okolí může v některých ideálních případech zůstat konstantní, ale nikdy se nemůže zmenšit.
Třetí zákon termodynamiky uvádí, že entropie izolovaného systému se stává konstantní, když se jeho teplota blíží absolutní nule. Tato konstantní hodnota entropie nemůže záviset na žádných dalších parametrech systému, jako je jeho objem nebo tlak.