La termodinámica es un área de la física relacionada con las transferencias de energía térmica. A menudo se entiende en términos de un conjunto de leyes.
La ley cero ayuda a definir laconcepto de temperatura, ya que tiene que ver con el equilibrio térmico entre objetos. El calor fluye de la materia más caliente a la más fría, y el equilibrio térmico, a veces llamado equilibrio termodinámico, ocurre cuando no hay un flujo neto de calor. Esto ocurre cuando los objetos están a la misma temperatura.
¿Qué es la ley cero de la termodinámica?
Originalmente había tres leyes centrales de la termodinámica. Sin embargo, los científicos a principios del siglo XX se dieron cuenta de que era necesaria otra ley más básica para que sus teorías fueran completas y correctas. Debido a que esta ley fue considerada más fundamental que las otras, llamándola la cuarta ley de La termodinámica no parecía apropiada, por lo que se hizo la ley cero para mostrar que reemplaza a todos los demás.
La ley cero de la termodinámica establece que si el sistema térmico A está en equilibrio térmico con el sistema térmico B, y el sistema térmico B está en equilibrio térmico con el sistema térmico C, entonces A debe estar en equilibrio térmico con C.
A esto se le llamarelación transitiva, y también se ve comúnmente en álgebra: si A = B y B = C, entonces A = C. La ley cero de la termodinámica representa este concepto con la temperatura.
Importancia de la ley cero de la termodinámica
Las teorías matemáticas a menudo necesitan una relación llamada relación de equivalencia: una forma de decir si dos cosas son iguales o no. La ley cero es la relación de equivalencia de la termodinámica porque proporciona el concepto matemático de temperatura y permite la existencia de termómetros físicos.
Un concepto clave es la diferencia entre energía y temperatura. Saber cuánta energía tienen dos objetos individuales no es suficiente para saber en qué dirección fluirá el calor cuando se pongan en contacto. Son las temperaturas relativas de los dos sistemas las que determinan la dirección del flujo de calor.
Pero, ¿cómo se puede medir la temperatura? Normalmente, un termómetro es un objeto que exhibe propiedades conocidas y calibradas dependiendo de su temperatura. Por ejemplo, el mercurio se expande en volumen de una manera bien definida a medida que se calienta. Poner el termómetro en equilibrio térmico con un objeto y luego observar esas propiedades, como cuánto se ha expandido el mercurio, es una forma de medir la temperatura de un objeto.
La importancia de la ley cero se puede ver cuando se intenta comparar las temperaturas de dos objetos. Si se coloca un termómetro en el líquido A, se vuelve en equilibrio térmico con ese líquido y lee una cierta temperatura.
Si ese termómetro se coloca en el líquido B, alcanza el equilibrio térmico y lee exactamente la misma temperatura que tenía cuando se estaba en equilibrio térmico con el líquido A, la ley cero es lo que nos permite decir que el líquido A y el líquido B son lo mismo temperatura.
Otras leyes de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que la energía total de un sistema aislado esconstante. El cambio en la energía interna del sistema siempre será exactamente igual a la diferencia entre el calor introducido en el sistema y el trabajo que el sistema realiza en su entorno.
La segunda ley de la termodinámica establece que laentropía totalde un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. La entropía total del sistema aisladoysu entorno puede permanecer constante en algunos casos ideales, pero nunca puede disminuir.
La tercera ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado se vuelve constante cuando su temperatura se acerca al cero absoluto. Este valor constante de entropía no puede depender de ningún otro parámetro del sistema, como su volumen o presión.