Termodynamika je oblasť fyziky, ktorá sa týka prenosu tepelnej energie. Často sa chápe v zmysle súboru zákonov.
Nula zákon pomáha definovaťpojem teploty, ako to súvisí s tepelnou rovnováhou medzi objektmi. Teplo prúdi z teplejšej hmoty do chladnejšej a tepelná rovnováha, niekedy nazývaná termodynamická rovnováha, nastáva, keď nedochádza k čistému toku tepla. K tomu dôjde, keď majú objekty rovnakú teplotu.
Čo je nulový zákon termodynamiky?
Pôvodne existovali tri ústredné termodynamické zákony. Vedci si však začiatkom 20. rokov 20. storočia uvedomili, že na to, aby boli ich teórie úplné a správne, je potrebný ďalší, základnejší zákon. Pretože tento zákon bol považovaný za zásadnejší ako ostatné, označoval ho za štvrtý zákon z termodynamika sa nezdala vhodná, takže bol urobený nulový zákon, ktorý ukazuje, že nahrádza všetko ostatné.
Nulový zákon termodynamiky hovorí, že ak je tepelný systém A v tepelnej rovnováhe s tepelným systémom B, a tepelný systém B je v tepelnej rovnováhe s tepelným systémom C, potom A musí byť v tepelnej rovnováhe s C.
Toto sa nazýva atranzitívny vzťah, a tiež sa bežne vyskytuje v algebre: Ak A = B a B = C, potom A = C. Nultý zákon termodynamiky predstavuje tento pojem s teplotou.
Význam nulového zákona termodynamiky
Matematické teórie často vyžadujú vzťah nazývaný vzťah ekvivalencie: Spôsob, ako povedať, či sú dve veci rovnaké alebo nie. Nultým zákonom je ekvivalenčný vzťah termodynamiky, pretože poskytuje matematický koncept teploty a umožňuje existenciu fyzikálnych teplomerov.
Kľúčovým konceptom je rozdiel medzi energiou a teplotou. Vedieť, koľko energie majú dva jednotlivé objekty, nestačí na to, aby vedeli, ktorým smerom bude prúdiť teplo, keď sa dostanú do kontaktu. Je to relatívna teplota dvoch systémov, ktoré určujú smer prúdenia tepla.
Ako je však možné merať teplotu? Teplomer je typicky objekt, ktorý vykazuje známe a kalibrované vlastnosti v závislosti od svojej teploty. Napríklad ortuť sa pri ohreve presne definovaným spôsobom zväčšuje. Teplotu predmetu je možné uviesť tak, že uvedieme teplomer do tepelnej rovnováhy s objektom a potom budeme sledovať tieto vlastnosti, ako napríklad to, ako veľmi sa ortuť rozšírila.
Dôležitosť nulového zákona možno vidieť pri pokuse o porovnanie teplôt dvoch objektov. Ak je teplomer umiestnený v kvapaline A, stáva sa s touto kvapalinou v tepelnej rovnováhe a sníma určitú teplotu.
Ak je potom tento teplomer vložený do kvapaliny B, dosiahne tepelnú rovnováhu a odčíta presne tú istú teplotu, ako keď bol bol v tepelnej rovnováhe s kvapalinou A, nulový zákon je to, čo nám umožňuje povedať, že kvapalina A a kvapalina B sú rovnaké teplota.
Ďalšie termodynamické zákony
Prvý zákon termodynamiky hovorí, že celková energia izolovanej sústavy jekonštantný. Zmena vnútornej energie systému sa bude vždy presne rovnať rozdielu medzi teplom vloženým do systému a prácou, ktorú systém vykonáva vo svojom prostredí.
Druhý zákon termodynamiky hovorí, že:totálna entropiaizolovaného systému sa nikdy nemôže časom znížiť. Celková entropia izolovaného systémuajeho okolie môže v niektorých ideálnych prípadoch zostať konštantné, ale nikdy sa nemôže zmenšiť.
Tretí zákon termodynamiky hovorí, že entropia izolovaného systému sa stáva konštantnou, keď sa jeho teplota blíži k absolútnej nule. Táto konštantná hodnota entropie nemôže závisieť od iných parametrov systému, ako je napríklad jeho objem alebo tlak.