תרמודינמיקה היא אזור בפיזיקה הנוגע להעברת אנרגיית חום. לעתים קרובות זה מובן במונחים של מערכת חוקים.
חוק האפס מסייע בהגדרת ה-מושג טמפרטורה, כפי שזה קשור לשיווי משקל תרמי בין עצמים. חום זורם מחומר חם לחומר קר יותר, ושיווי משקל תרמי, המכונה לפעמים שיווי משקל תרמודינמי, מתרחש כאשר אין זרימת חום נטו. זה קורה כאשר האובייקטים נמצאים באותה טמפרטורה.
מהו חוק הזרות של התרמודינמיקה?
במקור היו שלושה חוקים מרכזיים של תרמודינמיקה. עם זאת, מדענים בתחילת המאה העשרים הבינו כי חוק אחר בסיסי יותר הכרחי כדי שהתיאוריות שלהם יהיו שלמות ונכונות. מכיוון שחוק זה נחשב בסיסי יותר מהאחרים, וכינה אותו החוק הרביעי של התרמודינמיקה לא נראתה מתאימה, ולכן הוחלט על החוק האפסני להראות שהוא גובר על כולם האחרים.
חוק האפס של התרמודינמיקה קובע שאם מערכת תרמית A נמצאת בשיווי משקל תרמי עם מערכת תרמית B, ומערכת תרמית B נמצאת בשיווי משקל תרמי עם מערכת תרמית C, ואז A חייבת להיות בשיווי משקל תרמי עם ג.
זה נקרא aיחס מעבר, ונראה בדרך כלל גם באלגברה: אם A = B ו- B = C, אז A = C. חוק האפס של התרמודינמיקה מייצג מושג זה עם טמפרטורה.
המשמעות של חוק הזרות של התרמודינמיקה
תיאוריות מתמטיות מחייבות לעיתים קרובות יחס הנקרא יחס שקילות: דרך לומר האם שני דברים זהים או לא. חוק האפסות הוא יחס השקילות של התרמודינמיקה מכיוון שהוא מספק את המושג המתמטי של טמפרטורה ומאפשר קיום של מדחומים פיזיקליים.
מושג מרכזי הוא ההבדל בין אנרגיה לטמפרטורה. לדעת כמה אנרגיה יש לשני אובייקטים בודדים זה לא מספיק כדי לדעת באיזו דרך יזרום חום כאשר הם יגעו במגע. הטמפרטורות היחסיות של שתי המערכות הן שקובעות את כיוון זרימת החום.
אך כיצד ניתן למדוד טמפרטורה? בדרך כלל, מדחום הוא אובייקט המציג תכונות ידועות ומכוילות בהתאם לטמפרטורה שלו. לדוגמה, כספית מתרחבת בנפח בצורה מוגדרת היטב כשהיא מתחממת. הצבת המדחום בשיווי משקל תרמי עם אובייקט ואז התבוננות בתכונות אלה, כמו כמה שהכספית התרחבה, היא דרך למדוד את הטמפרטורה של האובייקט.
ניתן לראות את החשיבות של חוק האפס כאשר מנסים להשוות את הטמפרטורות של שני עצמים. אם מדחום ממוקם בנוזל A, הוא הופך לשיווי משקל תרמי עם אותו נוזל וקורא טמפרטורה מסוימת.
אם מדחום זה מונח אז בנוזל B, יגיע לשיווי משקל תרמי וקורא את אותה הטמפרטורה כפי שקרה כשהיה היה בשיווי משקל תרמי עם נוזל A, חוק האפסות הוא זה שמאפשר לנו לומר שנוזל A ונוזל B זהים טֶמפֶּרָטוּרָה.
חוקים אחרים של תרמודינמיקה
החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי האנרגיה הכוללת של מערכת מבודדת היאקָבוּעַ. השינוי באנרגיה הפנימית של המערכת תמיד ישווה בדיוק את ההבדל בין החום המוכנס למערכת לבין העבודה שהמערכת עושה על סביבתה.
החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי ה-אנטרופיה מוחלטתשל מערכת מבודדת לעולם לא יכולה לרדת לאורך זמן. האנטרופיה הכוללת של המערכת המבודדתוסביבתו יכולה להישאר קבועה בחלק מהמקרים האידיאליים, אך היא לעולם לא יכולה לרדת.
החוק השלישי של התרמודינמיקה קובע כי האנטרופיה של מערכת מבודדת הופכת קבועה ככל שהטמפרטורה שלה מתקרבת לאפס מוחלט. ערך קבוע זה של אנטרופיה אינו יכול להיות תלוי בפרמטרים אחרים של המערכת, כמו נפח או לחץ שלה.