La llei zero de la termodinàmica tracta de lintercanvi denergia, principalment en forma de calor, entre sistemes físics. Aquesta llei estableix un concepte essencial: lequilibri tèrmic.
L'enunciat formal de la llei zero de la termodinàmica és el següent:
Si dos sistemes A i B estan en equilibri tèrmic amb un tercer sistema C, aleshores A i B estan en equilibri tèrmic entre si.
Aquesta llei implica que la temperatura és una propietat fonamental que es pot mesurar de manera coherent en diferents sistemes. En establir que l'equilibri tèrmic és una condició transitiva, la llei zero permet definir la temperatura com una propietat que es pot equiparar entre diferents sistemes, facilitant-ne el mesurament a través d'un dispositiu de referència (com un termòmetre).
L'equilibri tèrmic esmentat passa quan dos sistemes en contacte tèrmic ja no intercanvien energia en forma de calor. En altres paraules, quan no hi ha una diferència de temperatura entre dos sistemes, aquests assoleixen lequilibri tèrmic. Si un sistema A està en equilibri tèrmic amb un altre sistema B, i aquest alhora amb un sistema C, llavors A i C també estaran en equilibri tèrmic.
A continuació, mostrem diversos exemples que il·lustren la llei zero de la termodinàmica en situacions quotidianes i científiques:
1. Termòmetre de mercuri
Un dels exemples més comuns de la llei zero de la termodinàmica és fer servir un termòmetre per mesurar la temperatura d'un objecte o un entorn. Un termòmetre tradicional de mercuri consisteix en un tub de vidre amb mercuri al seu interior, el volum del qual varia en funció de la temperatura.
Quan el termòmetre es col·loca en contacte amb un objecte (per exemple, una tassa d'aigua calenta), el mercuri dins del termòmetre s'expandeix o contrau fins que el termòmetre arriba a l'equilibri tèrmic amb l'objecte.
Segons la llei zero, si el termòmetre i l'aigua estan en equilibri tèrmic, aleshores la temperatura de l'aigua és la mateixa que la del termòmetre, cosa que permet un mesurament precís.
2. Panells denergia solar tèrmica
L'energia solar tèrmica és un mètode eficient per capturar l'energia del sol i convertir-la en calor, que després es pot utilitzar per escalfar aigua o aire, o fins i tot generar electricitat.
Als sistemes d'energia solar tèrmica, com els col·lectors solars d'aigua calenta, els panells capten la radiació solar i la utilitzen per escalfar un fluid, generalment aigua o líquid especialitzat.
Imagineu un sistema d'escalfament d'aigua solar. Els panells solars tèrmics (sistema "A") estan exposats a la radiació solar, la qual escalfa el fluid dins dels col·lectors. Aquest fluid calent transfereix calor a laigua freda que circula en un tanc demmagatzematge (sistema "B").
Inicialment, l'aigua al tanc està a una temperatura més baixa que el fluid als col·lectors solars. A mesura que s'intercanvia calor entre tots dos, l'aigua s'escalfa progressivament.
Segons la llei zero de la termodinàmica, quan l'aigua al tanc arriba a l'equilibri tèrmic amb el fluid escalfat pel sol, tots dos tindran la mateixa temperatura i l'intercanvi de calor s'aturarà.
3. Sistema de climatització en una llar
Els sistemes de calefacció i aire condicionat a les llars també obeeixen a la llei zero de la termodinàmica.
Imagina que ajustes el termòstat de casa teva a una temperatura desitjada, per exemple, 22°C. El sistema de calefacció o refrigeració s'activarà per augmentar o disminuir la temperatura de l'aire fins que la temperatura a totes les habitacions assoleixi el valor fixat al termòstat.
En aquest cas, el termòstat actua com el sistema “C” de referència, i les habitacions de la casa serien els sistemes “A” i “B”. Quan totes les habitacions estan en equilibri tèrmic amb el termòstat, és a dir, quan totes arriben a la temperatura programada, també estan en equilibri tèrmic entre si.
4. Refredament d'una beguda en una nevera
Un altre exemple quotidià és el refredament d'una beguda en una nevera. Imagina que introdueixes una llauna de refresc a temperatura ambient dins de la nevera, la temperatura interna de la qual està configurada a 5°C. La nevera actua com el sistema fred (sistema "C"), mentre que la llauna de refresc és el sistema "A". Al llarg del temps, la llauna transfereix calor a l'aire fred de la nevera fins que tots dos assoleixen l'equilibri tèrmic, és a dir, la mateixa temperatura.
Segons la llei zero, una vegada que la beguda ha arribat als 5°C, estarà en equilibri tèrmic amb la nevera i no es produirà més transferència de calor. En aquest punt, la temperatura de la llauna i la de la nevera són iguals.
5. Motor de combustió interna
En el context de l'enginyeria i la tecnologia, la llei zero també s'aplica al funcionament d'un motor de combustió interna. Durant el funcionament del motor, diferents parts del sistema, com ara el bloc del motor i el radiador, han de gestionar grans quantitats de calor.
El radiador, per exemple, s'encarrega de refredar el motor per evitar el sobreescalfament. El líquid refrigerant dins del radiador intercanvia calor amb el motor calent fins que tots dos arriben a l'equilibri tèrmic. D'aquesta manera, la temperatura del motor es manté dins d'un rang segur per al funcionament.
6. Processos industrials de refredament
A la indústria, especialment en la fabricació de productes químics o aliments, el control de la temperatura permet garantir la qualitat i seguretat dels productes.
Per exemple, en la pasteurització de la llet, aquesta és escalfada a una temperatura específica per eliminar bacteris i després es refreda ràpidament a una temperatura segura per al consum.
Durant el procés de refredament, la llet calenta entra en contacte amb plaques metàl·liques fredes. A mesura que la llet transfereix calor a les plaques, es refreda i arriba a l'equilibri tèrmic amb les plaques.
Aquí, la llei zero de la termodinàmica garanteix que, al final del procés, la llet i les plaques tindran la mateixa temperatura, permetent un control precís de les condicions del procés.
7. Bany maria a la cuina
El bany Maria és una tècnica culinària utilitzada per escalfar lentament aliments sense el risc de cremar-los o sobreescalfar-los.
El mètode consisteix a col·locar un recipient amb els aliments sobre un altre que conté aigua calenta. A mesura que l'aigua transfereix calor al recipient superior, l'aliment arriba a l'equilibri tèrmic amb l'aigua, cosa que permet que es mantingui a una temperatura constant sense sobrepassar-la.
En aquest cas, el sistema “C” és l'aigua calenta, que està en equilibri tèrmic amb el recipient “A” que conté l'aliment. La llei zero de la termodinàmica assegura que si l'aigua i el recipient estan en equilibri tèrmic, aleshores l'aliment també estarà en equilibri tèrmic amb l'aigua, mantenint una cocció controlada i uniforme.
8. Termòstat d'un aquari
El control de temperatura en aquaris és fonamental per a la salut dels peixos i plantes que hi habiten.
Un termòstat submergit dins l'aquari es fa servir per mesurar i regular la temperatura de l'aigua. El termòstat està en contacte directe amb l'aigua i ajusta la calefacció o la refrigeració per mantenir la temperatura adequada.
Segons la llei zero, el termòstat arriba a l'equilibri tèrmic amb l'aigua de l'aquari. En estabilitzar-se la temperatura del termòstat, podem inferir que tota l'aigua de l'aquari està a la mateixa temperatura que la mostrada al dispositiu, cosa que permet que els animals i les plantes romanguin en un ambient controlat i saludable.
9. El cos humà i el clima extern
El cos humà és altament sensible als canvis de temperatura i utilitza mecanismes com la sudoració o els calfreds per regular-ne la temperatura interna. Imagina que una persona entra a una habitació freda. Inicialment, el seu cos estarà a una temperatura més alta que la de l'aire de l'habitació, cosa que farà que comenci a perdre calor al seu entorn.
Amb el temps, el cos i l'aire a l'habitació assoliran un equilibri tèrmic, moment en què la persona ja no perdrà calor a l'ambient.
Aquest fenomen es pot observar quan estem en un lloc fred i comencem a sentir que la sensació de fred s'estabilitza, ja que hem aconseguit l'equilibri tèrmic amb l'entorn.
10. Intercanviadors de calor a plantes d'energia
En plantes d'energia com a centrals nuclears o centrals elèctriques convencionals els intercanviadors de calor són dispositius que transfereixen energia tèrmica entre fluids.
Un exemple típic és l'ús d'un fluid calent que transfereix la calor a un fluid fred sense que tots dos entrin en contacte directe. Això és clau en processos industrials per recuperar energia i augmentar-ne l'eficiència.
La llei zero s'aplica en aquest cas quan els dos fluids arriben a l'equilibri tèrmic dins de l'intercanviador. Quan tots dos fluids han igualat les seves temperatures, l'intercanvi de calor cessa. Aquest equilibri tèrmic és crucial per assegurar que els sistemes de generació i distribució denergia funcionin de manera eficient i segura.
11. Cafetera elèctrica i tassa de cafè
Finalment, us proposem l'exemple d'una cafetera elèctrica i una tassa de cafè.
Imagina que prepares una tassa de cafè fent servir una cafetera elèctrica. En abocar el cafè calent en una tassa de ceràmica a temperatura ambient, inicialment hi haurà un intercanvi de calor entre el cafè i la tassa. El cafè calent transfereix calor a la tassa més freda, i eventualment tots dos assoliran l'equilibri tèrmic.
La llei zero es manifesta aquí perquè, quan el cafè i la tassa han deixat d'intercanviar calor, estan en equilibri tèrmic, és a dir, tots dos tenen la mateixa temperatura. Si tinguessis un termòmetre, podries mesurar aquesta temperatura final, sabent que tant la tassa com el cafè estan en equilibri tèrmic.