Termodinamika je područje fizike koje se odnosi na prijenose toplinske energije. Često se shvaća u smislu skupa zakona.
Nulti zakon pomaže definiratipojam temperature, kao što je povezano s toplinskom ravnotežom između predmeta. Toplina prelazi iz vruće materije u hladniju, a toplinska ravnoteža, koja se ponekad naziva i termodinamička ravnoteža, nastaje kada nema neto protoka topline. To se događa kada su objekti na istoj temperaturi.
Što je nulti zakon termodinamike?
Izvorno su postojala tri središnja zakona termodinamike. Međutim, znanstvenici su početkom 1900-ih shvatili da je za njihovu cjelovitost i točnost nužan još jedan, temeljniji zakon. Budući da se ovaj zakon smatrao temeljnijim od ostalih, nazvavši ga četvrtim zakonom termodinamika se nije činila prikladnom, pa je donesen nulti zakon koji pokazuje da zamjenjuje sve ostali.
Nulti zakon termodinamike kaže da ako je toplinski sustav A u toplinskoj ravnoteži s toplinskim sustavom B, a toplinski sustav B je u toplinskoj ravnoteži s toplinskim sustavom C, tada A mora biti u toplinskoj ravnoteži sa C.
To se naziva aprijelazni odnos, a također se često vidi u algebri: Ako je A = B i B = C, tada je A = C. Nulti zakon termodinamike predstavlja ovaj pojam s temperaturom.
Značaj nultog zakona termodinamike
Matematičke teorije često zahtijevaju vezu koja se naziva relacija ekvivalencije: Način da se kaže jesu li dvije stvari iste ili ne. Nulti zakon je odnos ekvivalencije termodinamike jer pruža matematički koncept temperature i omogućuje postojanje fizičkih termometara.
Ključni koncept je razlika između energije i temperature. Znanje koliko energije imaju dva pojedinačna predmeta nije dovoljno da bismo znali na koji će način toplina teći kad se dođu u kontakt. Relativne temperature dvaju sustava određuju smjer protoka topline.
Ali kako se može izmjeriti temperatura? Obično je termometar objekt koji pokazuje poznata i kalibrirana svojstva ovisno o svojoj temperaturi. Na primjer, živa se širi u volumenu na točno definiran način dok se zagrijava. Stavljanje termometra u toplinsku ravnotežu s objektom i promatranje tih svojstava, kao što je na primjer koliko se živa proširila, način je za mjerenje temperature predmeta.
Važnost nultog zakona može se vidjeti pri pokušaju usporedbe temperatura dvaju objekata. Ako se termometar stavi u tekućinu A, on postaje u toplinskoj ravnoteži s tom tekućinom i očitava određenu temperaturu.
Ako se taj termometar stavi u tekućinu B, postigne toplinsku ravnotežu i očita točno istu temperaturu kao i kad je bio u toplinskoj ravnoteži s tekućinom A, nulti zakon je ono što nam omogućuje da kažemo da su tekućina A i tekućina B isto temperatura.
Ostali termodinamički zakoni
Prvi zakon termodinamike kaže da je ukupna energija izoliranog sustavakonstantno. Promjena unutarnje energije sustava uvijek će biti jednaka razlici između topline koja se unosi u sustav i rada sustava na njegovu okolinu.
Drugi zakon termodinamike kaže datotalna entropijaizoliranog sustava ne može se s vremenom smanjivati. Ukupna entropija izoliranog sustavainjegova okolina u nekim idealnim slučajevima može ostati konstantna, ali se nikad ne može smanjiti.
Treći zakon termodinamike kaže da entropija izoliranog sustava postaje konstantna kako se njegova temperatura približava apsolutnoj nuli. Ova konstantna vrijednost entropije ne može ovisiti o bilo kojim drugim parametrima sustava, poput njegovog volumena ili tlaka.