Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Llei zero de la termodinàmica

Llei zero de la termodinàmica

La llei zero de la termodinàmica afirma que "si dos sistemes que estan en equilibri tèrmic amb un tercer, també estan en equilibri entre si". També se la coneix com a principi zero de la termodinámica.

Si A està en equilibri amb B i A també està en equilibri tèrmic amb C, podem concloure que B està en equilibri tèrmic amb C.

Es diu que dos cossos estan en equilibri tèrmic quan, al posar-se en contacte, les seves variables d'estat no canvien. Al voltant d'aquesta simple idea s'estableix la llei zero.

Curiosament la llei zero va ser l'última de les lleis de la termodinàmica a ser introduïda. Després de la constatació que la calor és una forma d'energia que podria ser transformada en una altra, la terminologia passar a ser anomenada termodinàmica.

Per obtenir una estructura lògica en la presentació de la termodinàmica, calia col·locar una altra llei abans de les que ja havien estat enunciades prèviament. Així, aquesta altra llei va rebre el nom de llei zero de la termodinàmica.

Amb els fonaments d'aquesta llei podem esbrinar si dos cossos X i Y estan en equilibri. Per a això, només cal comprovar si els dos cossos tenen la mateixa temperatura mitjançant un termòmetre.

Enunciat de la llei zero de la termodinàmica

L'enunciat de la llei zero de la termodinàmica diu que: "Dos sistemes en equilibri tèrmic amb un tercer estan en equilibri entre si "

El principi zero de la termodinàmica ens permet diferenciar els cossos entre si pel que fa al seu "grau d'escalfament". Aquest atribut, que és una propietat de sistema, l'identifiquem amb la seva temperatura, que resulta ser un concepte macroscòpic (mesurable).

A través d'aquests conceptes podem entendre el funcionament dels dispositius anomenats termòmetres. Els termòmetres són els aparells que mesuren la temperatura dels cossos.

Cal destacar que la formulació de la llei zero de la termodinàmica conté tres idees fermes:

  • L'existència d'una variable d'estat, anomenada temperatura.

  • La igualtat de temperatures com una condició per a l'equilibri tèrmic entre dos sistemes, o entre parts de el mateix sistema.

  • L'existència d'una relació entre les variables independents de sistema i la temperatura, anomenada equació d'estat.

Exemples de la llei zero de la termodinàmica

Gel i aigua

En aquest exemple, posem un glaçó de gel i un un got ple d'aigua calenta dins d'una caixa hermètica. En aquest experiment apareixen tres elements: el gel, l'aigua i l'aire de la caixa.

Llei zero de la termodinàmicaInicialment el gel té una temperatura inferior a la de l'aire. De manera que l'aire cedirà energia al glaçó.

L'aigua està a una temperatura superior a la de l'aire. En aquestes condicions l'aigua cedirà energia a l'aire.

Passat un temps, el gel tindrà la mateixa temperatura que l'aire. L'aigua també tindrà la mateixa temperatura que l'aire. Tots dos elements estaran en equilibri tèrmic amb l'aire. Per tant, segons el principi 0 de la termodinàmica, l'aigua i el gel (ara ja fos) tindran la mateixa temperatura.

Exemple de el termòmetre

Un altre exemple que ajudarà a comprendre millor el concepte d'equilibri tèrmic es el del termòmetre.

Considera un cos B que consisteix en un tub amb un capil·lar que conté mercuri. Els seus nivells d'altura 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 si. Per tant, tindran el mateix valor numèric per a la propietat temperatura.

Conceptes per a comprendre el principi zero

Per comprendre la llei zero de la termodinàmica considerem el comportament de dos o més sistemes constituïts de la següent manera:

Els sistemes A i B estan separats entre si per una paret adiabàtica. Una paret adiabàtica és una paret que no permet l' intercanvi de calor.

Cadascun dels dos punts està en contacte tèrmic amb el tercer sistema C a través de parets diatèrmiques. Aquestes parets permeten l'intercanvi d'energia tèrmica. Tot el conjunt està envoltat per una paret adiabàtica.

La nostra experiència diu que els dos sistemes arribaran a l'equilibri tèrmic amb el tercer. A més, no tindrà lloc cap canvi posterior si la paret adiabàtica que separa A i B es reemplaça per una paret diatèrmica.

Història de la llei zero de la termodinàmica

Les idees de "calent" i "fred" sempre han format part de les experiències sensorials de l'home. 

Dos dels primers científics que van expressar aquestes idees van ser Leonardo da Vinci i Galileu. Aquests científics sabien que al contacte amb un tercer cos, normalment aire, dos o més cossos en contacte amb ell "es barrejaven d'una manera apropiada fins a aconseguir una mateixa condició".

Aquesta condició s'aconseguia a causa de la tendència dels cossos calents a difondre la seva energia als cossos més freds. Aquest flux d'energia és denominat calor o energia calorífica. Així, podem percebre la tendència de la calor a difondre de qualsevol cos calent cap a altres més freds en els seus voltants.

Aquesta transferència de calor té lloc fins que cap dels cossos de el sistema és capaç d'absorbir més calor.

Llei zero de la termodinàmicaLa llei zero de la termodinàmica té aquesta denominació gràcies a Ralph H. Fowler (1889-1944), un gran físic anglès. Al segle XX, després de molt temps de desenvolupament de la llei experimental, la va considerar com una llei bàsica.

Sense aquesta llei el concepte de temperatura no podria ser definit i es va postular que: "Si dos cossos estan en equilibri tèrmic amb un tercer, estaran en equilibri tèrmic entre si".

No obstant això, es va fer necessària l'estructuració de la presentació de la termodinàmica d'una forma més lògica. A causa que la primera i la segona llei ja havien estat formulades, llavors va sorgir el terme de la llei zero.

Des de llavors aquesta denominació ve sent utilitzada en física.

Resum

La llei zero de la termodinàmica estableix que dos elements que estan en equilibri tèrmic amb un tercer element, els dos elements inicials també estan en equilibri tèrmic entre ells.

    Autor:

    Data de publicació: 29 de juny de 2016
    Última revisió: 31 de maig de 2020