القانون الصفري للديناميكا الحرارية

أحد القوانين الأربعة للديناميكا الحرارية هو القانون الصفري للديناميكا الحرارية (Zeroth Law of Thermodynamics). من المثير للاهتمام أن القانون الصفري للديناميكا الحرارية تمت صياغته بعد القوانين الثلاثة الأولى بشكل كبير. ومع ذلك ، كان هناك جدل كبير حول ما إذا كان ينبغي الإشارة إليه على أنه القانون الرابع(fourth law) أو باسم آخر. حدثت المشكلة لأن التشريع الجديد قدم تعريفًا أوضح لدرجة الحرارة(temperature) وأبطل (superseded) فعليًا القوانين الثلاثة السابقة. توصل فاولر(Fowler) في النهاية إلى اسم من شأنه أن يضع حداً للجدل. تم تأطير مفهوم درجة الحرارة كمؤشر على التوازن الحراري(an indication of thermal equilibrium) بواسطة قانون Zeroth للديناميكا الحرارية.

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

فكر في نظامين(two systems) A و B ، مفصولين بجدار لا يسمح بأي تبادل للطاقة(energy) بينهما. يُعرف هذا الجدار بجدار عازل(insulating wall) أو جدار ثابت الحرارة(adiabatic wall). يتم فصل النظام الثالث C عن النظامين A و B بواسطة جدار موصل أو حراري كما هو موضح في الشكل.

القانون الصفري للديناميكا الحرارية

منذ ذلك الحين ، يمكن تبادل الطاقة بين النظامين A و C ، لذلك يكون كل من A و C في حالة توازن حراري(thermal equilibrium). وبالمثل ، يمكن تبادل الطاقة بين النظامين B و C ، لذلك يكون كلا من B و C أيضًا في حالة توازن حراري(thermal equilibrium). بمعنى آخر ، كلا النظامين A و B في حالة توازن حراري(thermal equilibrium) مع النظام الثالث C بشكل منفصل. عند إزالة الجدار الثابت بين النظامين A و B ، لا يحدث أي انتقال للطاقة(energy) بينهما. يوضح هذا أن النظامين A و B في حالة توازن حراري مع بعضهما البعض. تؤدي هذه الملاحظة إلى قانون مهم يُعرف باسم القانون الصفري للديناميكا الحرارية والذي ورد على النحو التالي:

نظامين A و B منفصلان في حالة توازن حراري(thermal equilibrium) مع نظام ثالث C هما أيضًا في حالة توازن حراري مع بعضهما لبعض.

وفقًا لقانون Zeroth للديناميكا الحرارية ، إذا كان النظام A في حالة توازن حراري(thermal equilibrium) مع نظام C ، إذن

(1) درجة حرارة النظام A = درجة حرارة النظام C

وبالمثل ، إذا كان النظام B في حالة توازن حراري(thermal equilibrium) مع النظام C ، إذن

(2) درجة حرارة النظام B = درجة حرارة النظام C

الآن ، من المعادلتين (1) و (2) ، لدينا درجة حرارة النظام A = درجة حرارة النظام B. وبالتالي ، يمكن تعريف درجة حرارة النظام أو الجسم على النحو التالي:

درجة حرارة النظام هي كمية فيزيائية ، والمساواة فيها هي الشرط الوحيد للتوازن الحراري(thermal equilibrium) لنظامين أو جسمين على اتصال.

أو

درجة حرارة النظام أو الجسم هي كمية مادية تشير إلى ما إذا كان النظام في حالة توازن حراري(thermal equilibrium) مع نظام آخر يكون على اتصال به أم لا.

توازن حراري(thermal equilibrium)

يعترف القانون الصفري للديناميكا الحرارية بأن درجة الحرارة هي قياس قيم لأنه يتنبأ بما إذا كانت الحرارة ستتدفق بين الأشياء (flow between things) أم لا. بصرف النظر عن كيفية تفاعل العناصر ، هذا صحيح. يمكن أن تنتقل الحرارة بين شيئين حتى لو لم يكونا متفاعلين جسديًا ، وفقًا لطريقة الإشعاع لنقل الحرارة(radiation method of heat transmission).

يقول القانون الصفري للديناميكا الحرارية أنه لن يحدث تدفق حراري(heat flow) إذا كانت الأنظمة في حالة توازن حراري(thermal equilibrium).

تتميز الديناميكا الحرارية عن الدراسات الأخرى بدرجات الحرارة. هذه السمة قادرة على التمييز بين الساخن والبارد. عندما يتلامس جسمان أو أكثر بدرجات حرارة مختلفة ، يصلان في النهاية إلى درجة حرارة مماثلة ويقال أنهما في حالة توازن حراري(thermal equilibrium). على الرغم من أنها في وضع يمكنها من نقل الحرارة بناءً على اعتبارات أخرى ، إلا أن الأنظمة تعتبر في حالة توازن حراري(thermal equilibrium) إذا لم يكن هناك انتقال للحرارة.

إذا قمنا بتخزين الطعام في الثلاجة طوال الليل ، على سبيل المثال ، فإن الطعام في حالة توازن حراري مع هواء الثلاجة. يحدث التوازن الحراري عندما لا تنتقل الحرارة من الطعام إلى الهواء أو من الهواء إلى الطعام. على سبيل المثال ،إذا قمنا بتخزين الطعام في الثلاجة طوال الليل ،فإن الطعام في حالة توازن حراري مع هواء الثلاجة. يحدث التوازن الحراري (thermal equilibrium)عندما لا تنتقل الحرارة من الطعام إلى الهواء أو من الهواء إلى الطعام.

القانون الصفري للديناميكا الحرارية وتطبيقاتها(Applications)

يعتبرقانون مهم للصياغة الرياضية للديناميكا الحرارية ، أو بعبارة أخرى ، للتعبير عن التعريف الرياضي لدرجة الحرارة.الاستخدام الأكثر شيوعًا لهذا المفهوم هو مقارنة درجات حرارة الأشياء المختلفة. إذا أردنا قياس درجة الحرارة بدقة ، فسنحتاج إلى جسم مرجعي وخاصية لذلك الجسم تتغير مع تغير درجة الحرارة. يمكن تفسير التغيير في تلك الخاصية على أنه تغير في درجة الحرارة. يشار إلى الميزة المختارة على أنها خاصية ديناميكية حرارية(thermodynamic property). ومع ذلك ، فإن موازين الحرارة هي التطبيق الأكثر انتشارًا للقانون الصفري للديناميكا الحرارية. باستخدام مقياس حرارة بسيط مع وجود الزئبق(mercury) في أنبوب(tube) ، قد نشهد القانون الصفري قيد التشغيل. نظرًا لأن مساحة الأنبوب(tube) تظل ثابتة مع ارتفاع درجة الحرارة ، يتمدد الزئبق(mercury). نما الارتفاع نتيجة لهذا التطور. الآن ، يشير التباين في ارتفاع ملصق الزئبق(mercury label) إلى تغيرات في درجة الحرارة ، ويساعدنا في جوهره في قياسه. اعتمادًا على خصائصها الحرارية ، يمكن استخدام عدة أنواع من أجهزة قياس الحرارة. فيما يلي قائمة بمقاييس الحرارة(thermometers)

• مقياس حرارة غاز الضغط المستمر – الحجم(Volume)
• مقياس حرارة غاز ذو حجم ثابت – الضغط (Pressure)
• مقياس حرارة  ترمومتر المقاومة الكهربائية – المقاومة (Resistance)
• مقياس حرارة الزئبقي في الزجاج – الطول(Length)
• مزدوجة حرارية (Thermocouple)- الحرارية e.m.f.

عندما يكون لديك كأسان من الماء ، يكون لديك توضيح آخر للقانون الصفري للديناميكا الحرارية(Zeroth Law of Thermodynamics). كوب واحد مملوء بالماء الساخن والآخر مملوء بالماء البارد. إذا تركناهما على الطاولة لبضع ساعات ، فإنها ستحقق التوازن الحراري (thermal equilibrium) مع درجة حرارة الغرفة.

المصدر