Thermodynamik ist ein Gebiet der Physik, das sich mit der Übertragung von Wärmeenergie befasst. Es wird oft im Sinne einer Reihe von Gesetzen verstanden.
Das nullte Gesetz hilft bei der Definition desBegriff der Temperatur, da es mit dem thermischen Gleichgewicht zwischen Objekten zu tun hat. Wärme fließt von heißer Materie zu kälterer Materie, und das thermische Gleichgewicht, manchmal auch thermodynamisches Gleichgewicht genannt, tritt auf, wenn es keinen Nettowärmefluss gibt. Dies tritt auf, wenn die Objekte die gleiche Temperatur haben.
Was ist der nullte Hauptsatz der Thermodynamik?
Ursprünglich gab es drei zentrale Gesetze der Thermodynamik. Wissenschaftler erkannten jedoch Anfang des 20. Jahrhunderts, dass ein anderes, grundlegenderes Gesetz notwendig war, damit ihre Theorien vollständig und richtig waren. Weil dieses Gesetz als fundamentaler angesehen wurde als die anderen, nannte man es das vierte Gesetz von Thermodynamik schien nicht angemessen, also wurde der nullte Hauptsatz gemacht, um zu zeigen, dass er alle ersetzt die Anderen.
Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass, wenn das thermische System A mit dem thermischen System B im thermischen Gleichgewicht ist, und thermisches System B im thermischen Gleichgewicht mit thermischem System C ist, dann muss A im thermischen Gleichgewicht mit. sein C.
Dies nennt man atransitive Beziehung, und wird auch häufig in der Algebra gesehen: Wenn A = B und B = C, dann A = C. Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik repräsentiert dieses Konzept mit der Temperatur.
Bedeutung des nullten Hauptsatzes der Thermodynamik
Mathematische Theorien erfordern oft eine Beziehung, die als Äquivalenzrelation bezeichnet wird: Eine Art zu sagen, ob zwei Dinge gleich sind oder nicht. Der nullte Hauptsatz ist die Äquivalenzrelation der Thermodynamik, weil er den mathematischen Begriff der Temperatur vorsieht und die Existenz physikalischer Thermometer zulässt.
Ein Schlüsselbegriff ist der Unterschied zwischen Energie und Temperatur. Zu wissen, wie viel Energie zwei einzelne Objekte haben, reicht nicht aus, um zu wissen, in welche Richtung die Wärme fließt, wenn sie in Kontakt kommen. Es sind die relativen Temperaturen der beiden Systeme, die die Richtung des Wärmeflusses bestimmen.
Aber wie lässt sich die Temperatur messen? Typischerweise ist ein Thermometer ein Objekt, das in Abhängigkeit von seiner Temperatur bekannte und kalibrierte Eigenschaften aufweist. Quecksilber zum Beispiel dehnt sich bei Erwärmung auf eine genau definierte Weise aus. Das Thermometer in ein thermisches Gleichgewicht mit einem Objekt zu bringen und dann diese Eigenschaften zu beobachten, z. B. wie weit sich das Quecksilber ausdehnt, ist eine Möglichkeit, die Temperatur eines Objekts zu messen.
Die Bedeutung des nullten Gesetzes wird deutlich, wenn man versucht, die Temperaturen zweier Objekte zu vergleichen. Wird ein Thermometer in Flüssigkeit A platziert, befindet es sich mit dieser Flüssigkeit im thermischen Gleichgewicht und zeigt eine bestimmte Temperatur an.
Wenn dieses Thermometer dann in Flüssigkeit B platziert wird, erreicht es ein thermisches Gleichgewicht und zeigt genau die gleiche Temperatur an wie beim mit Flüssigkeit A im thermischen Gleichgewicht war, erlaubt uns das nullte Gesetz zu sagen, dass Flüssigkeit A und Flüssigkeit B gleich sind Temperatur.
Andere Gesetze der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten SystemsKonstante. Die Änderung der inneren Energie des Systems entspricht immer genau der Differenz zwischen der in das System eingebrachten Wärme und der Arbeit, die das System an seiner Umgebung leistet.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass dieGesamtentropieeines isolierten Systems kann im Laufe der Zeit nie abnehmen. Die Gesamtentropie des isolierten Systemsundseine Umgebung kann im Idealfall konstant bleiben, aber nie abnehmen.
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie eines isolierten Systems konstant wird, wenn sich seine Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert. Dieser konstante Entropiewert kann nicht von anderen Parametern des Systems wie Volumen oder Druck abhängen.