Termodynamiikka on fysiikan alue, joka koskee lämpöenergian siirtoja. Se ymmärretään usein lakien joukossa.
Zeroth-laki auttaa määrittämäänlämpötilan käsite, koska se liittyy esineiden väliseen lämpötasapainoon. Lämpö virtaa kuumemmasta aineesta kylmempään aineeseen, ja terminen tasapaino, jota joskus kutsutaan termodynaamiseksi tasapainoksi, tapahtuu, kun lämmön nettovirtaa ei ole. Tämä tapahtuu, kun kohteet ovat samassa lämpötilassa.
Mikä on termodynamiikan Zeroth-laki?
Alun perin termodynamiikassa oli kolme keskeistä lakia. Kuitenkin tiedemiehet 1900-luvun alussa tajusivat, että heidän teoriansa täydellisyyteen ja oikeellisuuteen tarvitaan toinen, perustavanlaatuisempi laki. Koska tätä lakia pidettiin perustavanlaatuisempana kuin muita, sitä kutsuttiin neljänneksi laiksi termodynamiikka ei vaikuttanut tarkoituksenmukaiselta, joten siitä tehtiin nolla laki osoittaakseen, että se syrjäyttää kaikki muut.
Termodynamiikan nulllaki toteaa, että jos lämpöjärjestelmä A on termisessä tasapainossa lämpöjärjestelmän B kanssa, ja terminen järjestelmä B on termisessä tasapainossa lämpöjärjestelmän C kanssa, sitten A: n on oltava termisessä tasapainossa lämpötilan kanssa C.
Tätä kutsutaan atransitiivinen suhde, ja se nähdään yleisesti myös algebrassa: Jos A = B ja B = C, niin A = C. Termodynamiikan nulllaki edustaa tätä käsitettä lämpötilan kanssa.
Termodynamiikan Zeroth-lain merkitys
Matemaattiset teoriat vaativat usein suhdetta, jota kutsutaan ekvivalenssisuhteeksi: tapa sanoa, ovatko kaksi asiaa samat vai eivät. Zeroth-laki on termodynamiikan vastaavuussuhde, koska se tarjoaa matemaattisen lämpötilakäsitteen ja sallii fyysisten lämpömittareiden olemassaolon.
Keskeinen käsite on ero energian ja lämpötilan välillä. Tieto siitä, kuinka paljon energiaa kahdella yksittäisellä esineellä on, ei riitä tietämään, mihin suuntaan lämpö virtaa, kun ne joutuvat kosketuksiin. Kahden järjestelmän suhteelliset lämpötilat määrittävät lämmön virtaussuunnan.
Mutta miten lämpötila voidaan mitata? Tyypillisesti lämpömittari on esine, jolla on tunnettuja ja kalibroituja ominaisuuksia lämpötilastaan riippuen. Esimerkiksi elohopean tilavuus laajenee hyvin määritellyllä tavalla kuumentuessaan. Lämpömittarin asettaminen lämpötasapainoon kohteen kanssa ja sitten näiden ominaisuuksien, kuten elohopean laajenemisen, tarkkailu on tapa mitata kohteen lämpötila.
Zeroth-lain merkitys näkyy, kun yritetään verrata kahden kohteen lämpötiloja. Jos lämpömittari asetetaan nesteeseen A, se muuttuu lämpötilan tasapainossa nesteen kanssa ja lukee tietyn lämpötilan.
Jos kyseinen lämpömittari asetetaan sitten nesteeseen B, se saavuttaa lämpötasapainon ja lukee täsmälleen saman lämpötilan kuin se oli silloin, kun se oli termisessä tasapainossa nesteen A kanssa, nolla-lain perusteella voimme sanoa, että neste A ja neste B ovat samat lämpötila.
Muut termodynamiikan lait
Ensimmäisessä termodynamiikan laissa todetaan, että eristetyn järjestelmän kokonaisenergia onvakio. Järjestelmän sisäisen energian muutos on aina täsmälleen sama kuin järjestelmän lämmön ja järjestelmän ympäristössä tekemän työn välinen ero.
Termodynamiikan toisen lain mukaantäydellinen entropiaeristetyn järjestelmän määrä ei voi koskaan laskea ajan myötä. Eristetyn järjestelmän kokonaisentropiajasen ympäristö voi pysyä vakiona joissakin ihanteellisissa tapauksissa, mutta se ei voi koskaan heikentyä.
Termodynamiikan kolmannessa laissa todetaan, että eristetyn järjestelmän entropia muuttuu vakiona sen lämpötilan lähestyessä absoluuttista nollaa. Tämä entropian vakioarvo ei voi riippua muista järjestelmän parametreista, kuten sen tilavuudesta tai paineesta.