Termodynamik är ett fysikområde som rör överföringar av värmeenergi. Det förstås ofta i termer av en uppsättning lagar.
Noll-lagen hjälper till att definierabegreppet temperatur, eftersom det har att göra med termisk jämvikt mellan föremål. Värme flyter från varmare materia till kallare materia, och termisk jämvikt, ibland kallad termodynamisk jämvikt, inträffar när det inte finns något nätflöde av värme. Detta inträffar när föremålen har samma temperatur.
Vad är Zeroth-lagen om termodynamik?
Det fanns ursprungligen tre centrala termodynamiska lagar. Men forskare i början av 1900-talet insåg att en annan, mer grundläggande lag var nödvändig för att deras teorier skulle vara fullständiga och korrekta. Eftersom denna lag ansågs mer grundläggande än de andra, kallade den den fjärde lagen av termodynamik verkade inte vara lämplig, så det lades till noll för att visa att det ersätter alla de andra.
Termodynamikens nolllag säger att om termiskt system A befinner sig i termisk jämvikt med termiskt system B, och termiskt system B är i termisk jämvikt med termiskt system C, då måste A vara i termisk jämvikt med C.
Detta kallas atransitiv relationoch ses också ofta i algebra: Om A = B och B = C är A = C. Termodynamikens nolllag representerar detta koncept med temperatur.
Betydelsen av termodynamikens Zeroth-lag
Matematiska teorier kräver ofta en relation som kallas en ekvivalensrelation: Ett sätt att säga om två saker är desamma eller inte. Nolllagen är ekvivalensförhållandet mellan termodynamik eftersom det ger det matematiska begreppet temperatur och möjliggör förekomsten av fysiska termometrar.
Ett nyckelbegrepp är skillnaden mellan energi och temperatur. Att veta hur mycket energi två enskilda föremål har räcker inte för att veta vilket sätt värme kommer att strömma när de kommer i kontakt. Det är de relativa temperaturerna i de två systemen som bestämmer riktningen för värmeflödet.
Men hur kan temperaturen mätas? Typiskt är en termometer ett objekt som uppvisar kända och kalibrerade egenskaper beroende på dess temperatur. Till exempel expanderar kvicksilver i volym på ett väldefinierat sätt när det värms upp. Att sätta termometern i termisk jämvikt med ett objekt och sedan observera dessa egenskaper, till exempel hur mycket kvicksilver har expanderat, är ett sätt att mäta temperaturen på ett objekt.
Betydelsen av noll-lagen kan ses när man försöker jämföra temperaturen på två objekt. Om en termometer placeras i vätska A, blir den i termisk jämvikt med vätskan och avläser en viss temperatur.
Om termometern sedan placeras i vätska B, når den termisk jämvikt och läser exakt samma temperatur som den gjorde när den var i termisk jämvikt med vätska A, noll-lagen är det som tillåter oss att säga att vätska A och vätska B är desamma temperatur.
Andra termodynamiska lagar
Den första lagen om termodynamik säger att den totala energin i ett isolerat system ärkonstant. Förändringen i systemets interna energi kommer alltid att vara exakt lika med skillnaden mellan värmen som läggs i systemet och det arbete som systemet utför på sin miljö.
Den andra lagen om termodynamik säger atttotal entropiav ett isolerat system kan aldrig minska över tiden. Den totala entropin för det isolerade systemetochomgivningen kan förbli konstant i vissa idealfall, men den kan aldrig minska.
Den tredje lagen om termodynamik säger att entropin i ett isolerat system blir konstant när temperaturen närmar sig absolut noll. Detta konstanta värde av entropi kan inte bero på några andra parametrar i systemet, som dess volym eller tryck.