Zeroth Law of Thermodynamics: Definisjon, formel og eksempler

Termodynamikk er et fysikkområde som gjelder overføring av varmeenergi. Det forstås ofte i form av et sett med lover.

Null loven er med på å definerekonseptet med temperatur, som det har å gjøre med termisk likevekt mellom objekter. Varme strømmer fra varmere materie til kaldere materie, og termisk likevekt, noen ganger kalt termodynamisk likevekt, oppstår når det ikke er nettovarme. Dette skjer når gjenstandene har samme temperatur.

Det var opprinnelig tre sentrale termodynamiske lover. Forskere på begynnelsen av 1900-tallet skjønte imidlertid at en annen, mer grunnleggende lov var nødvendig for at teoriene deres skulle være fullstendige og korrekte. Fordi denne loven ble ansett som mer grunnleggende enn de andre, og kalte den den fjerde loven av termodynamikk virket ikke hensiktsmessig, så det ble gjort til null-loven for å vise at den overgår alle de andre.

Nullverdien til termodynamikken sier at hvis termisk system A er i termisk likevekt med termisk system B, og termisk system B er i termisk likevekt med termisk system C, da må A være i termisk likevekt med C.

Dette kalles atransitivt forhold, og blir også ofte sett i algebra: Hvis A = B og B = C, så er A = C. Termodynamikkens nul lov representerer dette konseptet med temperatur.

Matematiske teorier nødvendiggjør ofte en relasjon som kalles en ekvivalensrelasjon: En måte å si om to ting er like eller ikke. Nullloven er ekvivalensforholdet til termodynamikk fordi det gir det matematiske begrepet temperatur og muliggjør eksistensen av fysiske termometre.

Et nøkkelbegrep er forskjellen mellom energi og temperatur. Å vite hvor mye energi to individuelle objekter har, er ikke nok til å vite hvilken vei varmen vil strømme når de settes i kontakt. Det er de relative temperaturene til de to systemene som bestemmer retningen på varmestrømmen.

Men hvordan kan temperatur måles? Vanligvis er et termometer et objekt som viser kjente og kalibrerte egenskaper avhengig av temperaturen. For eksempel utvides kvikksølv i volum på en veldefinert måte når det varmes opp. Å sette termometeret i termisk likevekt med et objekt og deretter observere disse egenskapene, for eksempel hvor mye kvikksølv har ekspandert, er en måte å måle temperaturen på et objekt.

Viktigheten av nullen lov kan sees når man prøver å sammenligne temperaturene på to objekter. Hvis et termometer plasseres i væske A, blir det i termisk likevekt med væsken og leser en viss temperatur.

Hvis termometeret deretter plasseres i væske B, når det termisk likevekt og leser nøyaktig samme temperatur som den gjorde da det var i termisk likevekt med væske A, nullen lov er det som lar oss si at væske A og væske B er de samme temperatur.

Den første loven om termodynamikk sier at den totale energien til et isolert system erkonstant. Endringen i systemets indre energi vil alltid være nøyaktig lik forskjellen mellom varmen som legges inn i systemet og arbeidet systemet gjør på omgivelsene.

Den andre loven om termodynamikk sier attotal entropiav et isolert system kan aldri reduseres over tid. Den totale entropien til det isolerte systemetogomgivelsene kan forbli konstante i noen ideelle tilfeller, men det kan aldri avta.

Den tredje loven om termodynamikk sier at entropien til et isolert system blir konstant når temperaturen nærmer seg absolutt null. Denne konstante verdien av entropi kan ikke avhenge av andre parametere i systemet, som volum eller trykk.