Entre les lleis fonamentals que regeixen la termodinàmica, la llei zero ocupa un lloc cabdal, ja que estableix els conceptes fonamentals de temperatura i equilibri tèrmic.
La llei zero de la termodinàmica estableix que “si dos sistemes que estan en equilibri tèrmic amb un tercer sistema, també estan en equilibri entre si”. També se la coneix com a principi zero de la termodinàmica.
Si A està en equilibri amb B i A també és en equilibri tèrmic amb un tercer cos C, podem concloure que B està en equilibri tèrmic amb C.
Dos cossos estan en equilibri tèrmic quan, en posar-se en contacte, les variables d'estat no canvien. Si no estan en equilibri tèrmic, experimentaran un intercanvi de calor o energia i assoliran lequilibri tèrmic.
La llei zero va ser la darrera de les lleis de la termodinàmica a ser introduïda. Per obtenir una estructura lògica, calia col·locar-la abans de les altres lleis.
Fórmula de la llei 0 de la termodinàmica
El principi 0 de la termodinàmica si els tres sistemes estan en equilibri tèrmic s'ha de complir la fórmula següent:
TA = TB = TC
On TA ,TB i TC són les temperatures dels tres sistemes.
Origen i història de la llei zero
La llei zero de la termodinàmica es va formular com una resposta a les preguntes sobre el mesurament i la comparació de temperatures. Abans del seu establiment, les escales de temperatura eren arbitràries i depenien de mètodes específics de mesura. La necessitat d'una base més sòlida per comparar temperatures va ser un tema candent a la comunitat científica del segle XIX.
Va ser el físic alemany Gustav H. Johannsen qui va formular per primera vegada la idea central de la llei zero a la dècada de 1860, però no va ser fins a la dècada de 1930 que es va consolidar i es va incorporar com una llei fonamental de la termodinàmica.
La llei zero es diu així perquè proporciona la base per a la construcció d'escales de temperatura i estableix un principi fonamental per al mesurament de la temperatura.
Exemples de de la llei zero
Per comprendre com actua la llei zero de la termodinàmica proposem tres exemples:
Gel i aigua
Hi posem un tros de gel i un got ple d'aigua a temperatura ambient. En aquest experiment apareixen tres elements: gel, aigua i got.
Tasses de cafè
Imaginem dues tasses de cafè, una de calenta i una altra de freda. Quan es posen en contacte, la calor flueix de la tassa calenta a la tassa freda fins que tots dos arriben a la mateixa temperatura i estan en equilibri tèrmic.
Això és un exemple pràctic del principi zero en acció: tots dos sistemes estan en equilibri tèrmic quan ja no hi ha transferència neta de calor entre ells.
Exemple del termòmetre
Un altre exemple que ajudarà a comprendre millor el concepte dequilibri tèrmic és el dun termòmetre.
Considera un cos B que consisteix en un tub amb un capil·lar contenint mercuri. Els seus nivells sobre el capil·lar representen diferents temperatures.
Ara considera un cos A, per exemple el cos humà. Si apropes el termòmetre al cos i el deixes prou temps, el termòmetre arribarà al valor corresponent a la temperatura corporal.
El termòmetre i el cos humà estaran en equilibri tèrmic entre ells. Per tant, tots dos elements arriben a la mateixa temperatura.