Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής: Ορισμός, τύπος και παραδείγματα

Η θερμοδυναμική είναι ένας τομέας της φυσικής σχετικά με τις μεταφορές θερμικής ενέργειας. Είναι συχνά κατανοητό από την άποψη ενός συνόλου νόμων.

Ο μηδενικός νόμος βοηθά στον ορισμό τουέννοια της θερμοκρασίας, όπως έχει να κάνει με τη θερμική ισορροπία μεταξύ των αντικειμένων. Η θερμότητα ρέει από θερμότερη ύλη σε ψυχρότερη ύλη και η θερμική ισορροπία, μερικές φορές ονομάζεται θερμοδυναμική ισορροπία, συμβαίνει όταν δεν υπάρχει καθαρή ροή θερμότητας. Αυτό συμβαίνει όταν τα αντικείμενα βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία.

Αρχικά υπήρχαν τρεις κεντρικοί νόμοι της θερμοδυναμικής. Ωστόσο, οι επιστήμονες στις αρχές του 1900 συνειδητοποίησαν ότι ένας άλλος, πιο βασικός νόμος ήταν απαραίτητος για να είναι οι θεωρίες τους πλήρεις και σωστές. Επειδή αυτός ο νόμος θεωρήθηκε πιο θεμελιώδης από τους άλλους, αποκαλώντας τον τέταρτο νόμο η θερμοδυναμική δεν φαινόταν κατάλληλη, οπότε έγινε ο μηδενικός νόμος για να δείξει ότι αντικαθιστά όλα οι άλλοι.

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι εάν το θερμικό σύστημα Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το θερμικό σύστημα Β, και το θερμικό σύστημα Β βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το θερμικό σύστημα C, τότε το Α πρέπει να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με ΝΤΟ.

Αυτό ονομάζεται aμεταβατική σχέση, και εμφανίζεται επίσης συνήθως στην άλγεβρα: Εάν A = B και B = C, τότε A = C. Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής αντιπροσωπεύει αυτήν την έννοια με τη θερμοκρασία.

Οι μαθηματικές θεωρίες συχνά απαιτούν μια σχέση που ονομάζεται σχέση ισοδυναμίας: Ένας τρόπος να πούμε αν δύο πράγματα είναι ίδια ή όχι. Ο μηδενικός νόμος είναι η σχέση ισοδυναμίας της θερμοδυναμικής επειδή προβλέπει τη μαθηματική έννοια της θερμοκρασίας και επιτρέπει την ύπαρξη φυσικών θερμομέτρων.

Μια βασική ιδέα είναι η διαφορά μεταξύ ενέργειας και θερμοκρασίας. Το να γνωρίζετε πόση ενέργεια έχουν δύο μεμονωμένα αντικείμενα δεν αρκεί για να μάθετε με ποιο τρόπο θα ρέει θερμότητα όταν έρχονται σε επαφή. Είναι οι σχετικές θερμοκρασίες των δύο συστημάτων που καθορίζουν την κατεύθυνση της ροής θερμότητας.

Αλλά πώς μπορεί να μετρηθεί η θερμοκρασία; Συνήθως, ένα θερμόμετρο είναι ένα αντικείμενο που παρουσιάζει γνωστές και βαθμονομημένες ιδιότητες ανάλογα με τη θερμοκρασία του. Για παράδειγμα, ο υδράργυρος επεκτείνεται σε όγκο με έναν καλά καθορισμένο τρόπο καθώς θερμαίνεται. Η τοποθέτηση του θερμομέτρου σε θερμική ισορροπία με ένα αντικείμενο και στη συνέχεια η παρατήρηση αυτών των ιδιοτήτων, όπως η ποσότητα του υδραργύρου έχει επεκταθεί, είναι ένας τρόπος μέτρησης της θερμοκρασίας ενός αντικειμένου.

Η σημασία του μηδενικού νόμου μπορεί να φανεί κατά την προσπάθεια σύγκρισης των θερμοκρασιών δύο αντικειμένων. Εάν ένα θερμόμετρο τοποθετηθεί σε υγρό Α, γίνεται θερμική ισορροπία με αυτό το υγρό και διαβάζει μια συγκεκριμένη θερμοκρασία.

Εάν αυτό το θερμόμετρο τοποθετηθεί στη συνέχεια σε υγρό Β, φτάσει στη θερμική ισορροπία και διαβάζει την ίδια ακριβώς θερμοκρασία με εκείνη που το έκανε βρισκόταν σε θερμική ισορροπία με το υγρό Α, ο μηδενικός νόμος είναι αυτό που μας επιτρέπει να πούμε ότι το υγρό Α και το υγρό Β είναι τα ίδια θερμοκρασία.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος είναισυνεχής. Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος θα είναι πάντα ακριβώς ίση με τη διαφορά μεταξύ της θερμότητας που εισάγεται στο σύστημα και της εργασίας που κάνει το σύστημα στο περιβάλλον του.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι τοολική εντροπίαενός απομονωμένου συστήματος δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί με την πάροδο του χρόνου. Η συνολική εντροπία του απομονωμένου συστήματοςκαιΤο περιβάλλον του μπορεί να παραμείνει σταθερό σε μερικές ιδανικές περιπτώσεις, αλλά δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί.

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι η εντροπία ενός απομονωμένου συστήματος γίνεται σταθερή καθώς η θερμοκρασία του πλησιάζει το απόλυτο μηδέν. Αυτή η σταθερή τιμή εντροπίας δεν μπορεί να εξαρτάται από άλλες παραμέτρους του συστήματος, όπως ο όγκος ή η πίεση του.