3.1: Нульовий закон термодинаміки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 76404

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мабуть, найпростішим поняттям температури є розцінювання її як потенційної функції, градієнт якої визначає напрямок і швидкість потоку тепла. Якщо тепло надходить від одного тіла до іншого, перше знаходиться при більш високій температурі, ніж друге. Якщо немає чистого потоку тепла від одного тіла до іншого, два тіла знаходяться в тепловій рівновазі, і їх температури рівні.

Ми можемо піти далі і стверджувати, що

Якщо два тіла знаходяться окремо в тепловій рівновазі з третім тілом, то вони також знаходяться в тепловій рівновазі один з одним.

За смаком, ви можете розглядати це як істину граничної тривіальності або як фундаментальний закон найглибшого значення. Ті, хто бачить це як останнє, будуть називати його законом нульового термодинаміки (хоча "нуль" звучить трохи як визнання того, що він був доданий як запізнення до інших «реальних» законів термодинаміки).

Можна уявити, що третє тіло - це якийсь термометр. Насправді це не повинен бути навіть точно відкалібрований термометр. Ми вставляємо термометр в одне з наших двох тіл (ми тут особливо не думаємо про людські тіла), і це вказує на деяку температуру. Потім вставляємо його в другий корпус. Якщо він вказує на ту ж температуру, яка вказана для першого тіла, то Закон Нуля стверджує, що, якщо ми зараз розмістимо наші два тіла в контакт один з одним, чистого потоку тепла від одного до іншого не буде. Існує певна міра, яка є спільною для всіх трьох тіл і яка диктує, що немає чистого потоку тепла від будь-якого іншого до будь-якого іншого, і три тіла знаходяться в тепловій рівновазі. Цей захід - це те, що ми називаємо їх температурою.

Деяким це буде звучати як приказка: «якщо А і С знаходяться при одній температурі, а якщо В і С знаходяться при одній температурі, то А і В знаходяться при одній температурі». Інші, філософські схильні, можуть захотіти переслідувати концепцію до більшої суворості. У будь-якому випадку, на якому б рівні строгості не використовувались, те, що встановлює Закон про нуль, - це існування деякої кількості, яка називається температурою, але це насправді не говорить нам, як кількісно визначити шкалу температури. Це так, ніби ми встановили існування чогось, що називається «довжина» або «маса», але ми насправді ще не уточнили, як це виміряти або в яких одиницях виражати це. Ми могли б, наприклад, обговорити поняття «довжина» або «маса», описуючи тест, щоб показати, чи дві довжини, або дві маси, рівні, але без розробки будь-яких одиниць для якісного вираження таких понять. Ось, я думаю, саме тут нас залишає Закон про Нуль.