قانون صفرم ترمودینامیک چیست؟
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک
قانون صفرم ترمودینامیک بیان می کند که اگر دو سیستم با یک سیستم دیگر در تعادل حرارتی باشند (همدما باشند)، آن گاه هر کدام از این سیستم ها با یکدیگر در تعادل اند.
این قانون ترمودینامیک، به دما به عنوان یکی از مهم ترین خواص یک سیستم ترمودینامیکی نگاه می کند.
در این قانون، منظور از تعادل حرارتی، شرایطی است که اگر دو سیستم توسط یک دیواره به هم متصل شوند و دیواره در برابر گرما نفوذپذیر باشد، هیچ گرمایی میان دو سیستم رد و بدل نشود.
قانون صفرم به بیانی دیگر
همان‌طور که می‌دانید، ویژگی‌های مواد با تغییر دما، تغییر می‌کنند. به طور مثال با افزایش دما حجم مایعات افزایش پیدا می‌کند. یا فشار گاز محبوس در یک محفظه زیاد می‌شود.
همچنین طول یک میله فلزی کمی بیشتر می‌شود. یا مقاومت الکتریکی یک سیم افزایش پیدا می‌کند و … .
هر یک از تغییرات فوق، می‌توانند به عنوان ابزاری جهت ثابت قرار دادن دما یا مقایسه دما به کار روند.
در واقع با محاسبه و ثبت تغییرات هر یک از پارامترهای فوق، مثل مقاومت، فشار، طول و … می‌توانیم به تغییر دما پی‌ببریم.
ابزاری که با استفاده از پارامترهای فوق می‌تواند مقایسه دمایی انجام دهد، دمانما (Thermoscope) نام دارد.
دقت کنید که این ابزار را با دماسنج (Thermometer) اشتباده نگیرید چرا که هنوز مقیاس‌بندی نشده است.
به عبارت دیگر عددی که یک دمانما نمایش می‌دهد، مفهوم فیزیکی دما را ندارد و تنها یک عدد جهت پی بردن به تغییر دما است.
شکل زیر شماتیکی از یک دمانما را نشان می‌دهد که ساختار و فیزیک آن بر مبنای محاسبه مقاومت سیم درون آن است.
مثال
حال فرض کنید که مطابق با شکل زیر، یک دمانما (جسم C) را در نزدیکی جسم دیگری مثلقرار می‌دهیم.
این کار را درون محفظه‌ای کاملاً ایزوله انجام می‌دهیم. به جهت قرارگیری دمانما در کنار جسمA، دمای آن تغییر کرده و پس از پایداری عددی را (مثلاً T) نمایش می‌دهد.
در این صورت پارامتر یا ویژگی‌های قابل اندازه‌گیری دو جسم A و C (دمانما) مقدار پایداری پیدا کرده که در این صورت دو جسم مذکور در تعادل گرمایی هستند.
عدد نشان داده شده توسط دمانما مفهوم خاصی نداشته و تنها می‌توانیم نتیجه بگیریم که دو جسم A و C دمای یکسانی دارند.
حال مطابق با شکل زیر، فرآیند فوق را دوباره تکرار می‌کنیم. با این تفاوت که دمانما را کنار جسم B قرار می‌دهیم و مشاهده می‌کنیم که عدد نمایش داده شده توسط دمانما با حالت قبلی یکسان است. در این صورت پی می‌بریم که دو جسم B و C (دمانما) نیز دمایی یکسان دارند.
در قدم سوم، مطابق با شکل زیر، دو جسم A و B را در نزدیکی یکدیگر قرار می‌دهیم. تجربه نشان می‌دهد که این دو جسم نیز به تعادل گرمایی رسیده و دمانمای درون محفظه همان عدد را نمایش می‌دهد.
بیان فیزیکی تجربه و آزمایش فوق، بیان قانون صفرم ترمودینامیک (The Zeroth Law of Thermodynamics) بوده که به شکل زیر است:
«هرگاه دو جسم، هر یک به تنهایی با جسم سومی در تعادل گرمایی باشند، نتیجه می‌شود که خود با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند.»
با بیانی ساده‌تر، قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که هر جسمی خاصیتی موسوم به دما دارد.
هرگاه دو جسم با یکدیگر در تعادل گرمایی باشند، دماهایشان یکسان است.
این عبارت را در جهت عکس نیز می‌توان بیان کرد. در واقع هرگاه دمای دو جسم برابر باشد، نتیجه می‌شود که با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند.
با این اوصاف می‌توانیم دمانمای استفاده شده در بالا را مقیاس‌بندی کرده تا ابزاری کارآمد جهت مقایسه دمای دو جسم شود. به عبارت دیگر با این کار، دمانما را تبدیل به دماسنج می‌کنیم.
در این صورت جهت مقایسه دمای دو جسم، نیازی به برقراری تماس بین آن دو نبوده و با یک دماسنج، به راحتی مقایسه دمای دو جسم امکان‌پذیر است.
لازم به ذکر است که قانون صفرم ترمودینامیک در دهه ۱۹۳۰ میلادی، یعنی سال‌ها پس از کشف قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک، جهت تکمیل مفاهیم بنیادی علم ترمودینامیک مطرح شد.
از آنجایی که دما و مفهوم آن، زیر بنای دو قانون دیگر بود، نام قانون صفرم را برای آن انتخاب کردند. در واقع قانون صفرم ترمودینامیک به دلیل دربرداشتن مفهوم دما، بر دو قانون دیگر مقدم است.
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک
منبع متن: فرادرس