Thermodynamica is een gebied van de natuurkunde dat betrekking heeft op de overdracht van warmte-energie. Het wordt vaak begrepen in termen van een reeks wetten.
De nulde wet helpt bij het definiëren van deconcept van temperatuur, omdat het te maken heeft met thermisch evenwicht tussen objecten. Warmte stroomt van hetere materie naar koudere materie, en thermisch evenwicht, ook wel thermodynamisch evenwicht genoemd, treedt op wanneer er geen netto warmtestroom is. Dit gebeurt wanneer de objecten dezelfde temperatuur hebben.
Wat is de nulde wet van de thermodynamica?
Er waren oorspronkelijk drie centrale wetten van de thermodynamica. Aan het begin van de twintigste eeuw realiseerden wetenschappers zich echter dat er een andere, meer fundamentele wet nodig was om hun theorieën volledig en correct te laten zijn. Omdat deze wet als fundamenteler werd beschouwd dan de andere, noemde hij het de vierde wet van thermodynamica leek niet gepast, dus werd het de nulde wet gemaakt om te laten zien dat het alles vervangt de anderen.
De nulde wet van de thermodynamica stelt dat als thermisch systeem A in thermisch evenwicht is met thermisch systeem B, en thermisch systeem B in thermisch evenwicht is met thermisch systeem C, dan moet A in thermisch evenwicht zijn met C.
Dit heet eentransitieve relatie, en wordt ook vaak gezien in de algebra: als A = B en B = C, dan is A = C. De nulde wet van de thermodynamica vertegenwoordigt dit concept met temperatuur.
Betekenis van de nulde wet van de thermodynamica
Wiskundige theorieën vereisen vaak een relatie die equivalentierelatie wordt genoemd: een manier om te zeggen of twee dingen hetzelfde zijn of niet. De nulde wet is de equivalentierelatie van de thermodynamica omdat deze voorziet in het wiskundige concept van temperatuur en het bestaan van fysieke thermometers mogelijk maakt.
Een sleutelbegrip is het verschil tussen energie en temperatuur. Weten hoeveel energie twee afzonderlijke objecten hebben, is niet genoeg om te weten op welke manier de warmte zal stromen wanneer ze met elkaar in contact worden gebracht. Het zijn de relatieve temperaturen van de twee systemen die de richting van de warmtestroom bepalen.
Maar hoe kan de temperatuur worden gemeten? Typisch, een thermometer is een object dat bekende en gekalibreerde eigenschappen vertoont, afhankelijk van de temperatuur. Kwik zet bijvoorbeeld op een goed gedefinieerde manier in volume uit als het opwarmt. Door de thermometer in thermisch evenwicht te brengen met een object en vervolgens die eigenschappen te observeren, zoals hoeveel het kwik is uitgezet, is een manier om de temperatuur van een object te meten.
Het belang van de nulde wet kan worden gezien bij het vergelijken van de temperaturen van twee objecten. Als een thermometer in vloeistof A wordt geplaatst, komt deze in thermisch evenwicht met die vloeistof en geeft een bepaalde temperatuur aan.
Als die thermometer vervolgens in vloeistof B wordt geplaatst, bereikt hij thermisch evenwicht en leest hij exact dezelfde temperatuur als toen hij deed in thermisch evenwicht was met vloeistof A, stelt de nulde wet ons in staat om te zeggen dat vloeistof A en vloeistof B hetzelfde zijn temperatuur.
Andere wetten van de thermodynamica
De eerste wet van de thermodynamica stelt dat de totale energie van een geïsoleerd systeem gelijk is aan:constante. De verandering in de interne energie van het systeem zal altijd exact gelijk zijn aan het verschil tussen de warmte die in het systeem wordt gestopt en het werk dat het systeem doet op zijn omgeving.
De tweede wet van de thermodynamica stelt dat detotale entropievan een geïsoleerd systeem kan in de loop van de tijd nooit afnemen. De totale entropie van het geïsoleerde systeemenzijn omgeving kan in sommige ideale gevallen constant blijven, maar kan nooit afnemen.
De derde wet van de thermodynamica stelt dat de entropie van een geïsoleerd systeem constant wordt naarmate de temperatuur het absolute nulpunt nadert. Deze constante waarde van entropie kan niet afhankelijk zijn van andere parameters van het systeem, zoals het volume of de druk.