Нулевият закон на термодинамиката

Нулевият закон на термодинамиката е един от четирите основни термодинамични закона. Той гласи:

Ако две термодинамични системи са в топлинно равновесие една с друга, а също и поотделно в топлинно равновесие с трета система, тогава трите системи са в топлинно равновесие една с друга.

Нулевият закон на термодинамиката представя независимо определение на температурата без връзка с ентропията, която е дефинирана във втория закон. Законът е фармулиран за пръв път от британския физик и астроном Ралф Х. Фаулър (Ralph H. Fowler) през 30-те години на миналия век, дълго след като първият, вторият и третият закон са широко признати.

Топлинното равновесие означава, че когато две тела са в контакт едно с друго и са разделени от бариера, която е пропусклива за топлина, няма да има пренос на топлина от едното към другото. С прости думи, нулевият закон означава, че трите тела са с еднаква температура.

Джеймс Клерк Максуел прави още по-проста формулировка, като каза: „Цялата топлина е от един и същи вид“. Най-важното е, че нулевият закон установява, че температурата е фундаментално и измеримо свойство на материята.

Когато нулевият закон на термодинамиката първоначално е бил замислен през 18 век, вече е имало три закона на термодинамиката. Въпреки това, този нов закон, който представя формална дефиниция на температурата, всъщност в известна степен заменя съществуващите закони и с право трябва да бъде начело на списъка.

Това създало дилема: оригиналните закони вече били добре известни с присвоените им номера и преномерирането им би създало конфликт със съществуващата литература и би причинило значително объркване.

Ралф Х. Фаулър е този, който нарича  новия закон „нулевия закон“. Интересното е, че писателят на научна фантастика Айзък Азимов използва идеята за нулев закон в своя роман от 1985 г. „Роботи и империя“, когато открива, че трябва да добави нов закон към Трите закона на роботиката, който заменя Първия закон.

В наши дни има две почти отделни концепции за температурата, термодинамичната концепция и тази на кинетичната теория на газовете и другите материали. Нулевият закон на термодинамиката е част от термодинамичната концепция.

Термодинамично равновесие

Нулевият закон на термодинамиката започва с проста дефиниция на термодинамичното равновесие. Наблюдава се, че някои свойства на обект, като налягането в обем газ, дължината на метален прът или електрическата проводимост на проводник, могат да се променят, когато обектът се нагрява или охлажда.

Ако два от тези обекти бъдат поставени във физически контакт, първоначално има промяна в свойствата и на двата обекта. Но в крайна сметка промяната в свойствата спира и се казва, че обектите са в термично или термодинамично равновесие. Термодинамичното равновесие води до общовалидно дефиниране на температурата.

Когато два обекта са в топлинно равновесие, се казва, че имат еднаква температура. По време на процеса на достигане на топлинно равновесие топлината, която е форма на енергия, се пренася между обектите. Подробностите за процеса на достигане на топлинно равновесие са описани в първия и втория закон на термодинамиката.

Нулевият закон на термодинамиката –  следствия

Нулевият закон на термодинамиката е плод на наблюдение. Както казахме, когато два обекта са отделно в термодинамично равновесие с трети обект, те са в равновесие един с друг. Като илюстрация, да предположим, че имаме три обекта, както е показано на заглавната снимка на статията.

Обект 1 и обект 2 са във физически контакт и в топлинно равновесие. Обект 2 също е в термично равновесие с обект 3. Първоначално няма физически контакт между обект 1 и обект 3. Но ако обект 1 и обект 3 бъдат поставени в контакт, се наблюдава, че те са в термично равновесие.

Това просто наблюдение ни позволява да създадем термометър. Можем да калибрираме промяната в термично свойство, като дължината на живачен стълб, като поставим термометъра в термично равновесие с известна физическа система в няколко референтни точки.

Ако след това поставим термометъра в топлинно равновесие с която и да е друга система, като долната част на езика ви, можем да определим температурата на другата система, като забележим промяната в термичните свойства. Обектите в термодинамично равновесие имат еднаква температура.

В този случай учените трябва не само да определят единица мярка, но и началната точка на скалата. Най-забележителните ранни усилия за стандартизиране на измерването на температурата били тези на немския производител на инструменти Даниел Габриел Фаренхайт.

В началото на 18-ти век Фаренхайт изобретява познатите термометри от стъклена тръба, използващи както алкохол, така и живак. Той също така изобретява скалата на Фаренхайт, която определя точките на замръзване и кипене на водата съответно на 32 градуса по Фаренхайт и 212 градуса по Фаренхайт и все още се използва до ден днешен, най-вече в Съединените щати.

По-голямата част от останалия свят използва скалата на Целзий, която определя стойности от 0 градуса за точката на замръзване на водата и 100 градуса за нейната точка на кипене при средно морско ниво. Всички измервателни скали, използвани в науката и инженерството, започват от нула.

Концепцията за нулева дължина, маса или време е относително лесна за разбиране; но нулевата температура или абсолютната нула, където няма абсолютно никаква топлинна енергия, е малко по-трудна за разбиране. Това е така, защото такава температура никога не е наблюдавана в природата или в лабораторията и се смята, че никога няма да бъде.