La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con algún tercer cuerpo, entonces también están en equilibrio entre sí. El equilibrio térmico significa que cuando dos cuerpos se ponen en contacto entre sí y se separan por unbarrera permeable al calor, no habrá transferencia de calor de uno a otro.
Esto dice en esencia que los tres cuerpos son todos iguales temperatura . James Clerk Maxwell exprese esto quizás de manera más simple cuando dijo: “Todo el calor es del mismo tipo”. Lo más importante es que la Ley Cero establece que la temperatura es una propiedad fundamental y medible de la materia.
Historia
cuando el leyes de la termodinámica se establecieron originalmente, solo había tres. Sin embargo, a principios del siglo XVIII, los científicos se dieron cuenta de que se necesitaba otra ley para completar el conjunto. Sin embargo, esta nueva ley, que presentaba una definición formal de temperatura, en realidad reemplazó a las tres existentes.leyes y deberían estar legítimamente a la cabeza de la lista. Esto creó un dilema: las tres leyes originales ya eran bien conocidas por sus números asignados, y volver a numerarlas crearía un conflicto con la literatura existente y causaría una confusión considerable. La alternativa, llamaresta nueva ley, la Cuarta Ley, y ponerla en último lugar en la lista, también fue problemática porque reemplazó a las otras tres leyes. Un científico, Ralph H. Fowler , se le ocurrió una tercera alternativa que resolvió el dilema: llamó a la nueva ley la "Ley Cero". Curiosamente, escritor de ciencia ficción Isaac Asimov se apropió de la idea de una ley cero en su novela de 1994 " Robots e Imperio "cuando descubrió que era necesario agregar una nueva ley a la Tres leyes de la robótica que reemplazó a la Primera Ley.
Según David McKee, profesor de física en la Universidad Estatal del Sur de Missouri, la Ley Cero "nos dice que no importa cuánta energía tengan dos sistemas, saber cuánta energía tienen no me permite predecir en qué dirección fluirá el calorsi los pongo en contacto entre sí. La Ley Cero dice que este número, que es la temperatura, define la dirección del flujo de calor, y no depende directamente de la cantidad de energía involucrada ".
Continuó: "La temperatura de dos sistemas es lo único que necesita saber para determinar en qué dirección fluirá el calor entre ellos".
termómetros
Incluso las plantas y animales unicelulares más simples responden a los cambios de temperatura. Los conceptos de frío y calor, así como de "más caliente que" y "más frío que" están arraigados en nuestra fisiología. Sin embargo, nuestra capacidad para comunicar este conceptorequirió algún estándar para la comparación. Uno de los primeros estándares, y uno que todavía se utiliza hasta el día de hoy, utiliza los puntos de congelación y ebullición del agua. Sin embargo, el problema era cómo describir las temperaturas con suficiente precisión para ser útil. Esto requeríaun método repetible para la medición en una escala incremental.
La ley cero de la termodinámica define la temperatura y hace que los termómetros sean posibles. Sin embargo, para que un termómetro sea útil, primero debe calibrarse. Todas las demás unidades básicas de medida, por ejemplo, longitud, masa, tiempo, etc., son cada una.definido de acuerdo con un estándar preciso. En este caso, no solo debemos definir una unidad de medida, sino también el punto de inicio de la escala.
Los primeros esfuerzos más notables para estandarizar la medición de temperatura fueron los de Daniel Gabriel Fahrenheit . A principios del siglo XVIII, Fahrenheit inventó los conocidos termómetros de tubo de vidrio que usaban alcohol y mercurio. También inventó el escala Fahrenheit , que establece los puntos de congelación y ebullición del agua en 32 grados y 212 grados, respectivamente, y todavía se usa hasta el día de hoy, particularmente en los Estados Unidos. La mayor parte del resto del mundo usa escala Celsius , que asigna valores de 0 grados para el punto de congelación del agua y 100 grados para su punto de ebullición al nivel medio del mar.
Todas las escalas de medición utilizadas en ciencia e ingeniería comienzan con un valor de cero. El concepto de longitud, masa o tiempo cero es relativamente fácil de comprender; sin embargo, temperatura cero, o cero absoluto , donde no hay absolutamente ninguna energía térmica, es un poco más difícil de captar. Esto se debe a que tal temperatura nunca se ha observado en la naturaleza o en el laboratorio, y generalmente se cree que nunca lo será; sin embargo,los científicos han conseguido bastante cerca .
La unidad para la temperatura termodinámica es el kelvin K y se define de acuerdo con punto triple de agua, que es igual a 0.01 grados C o 32.01 grados F. El punto triple se define como "la temperatura y presión particulares a las que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia dada están todas en equilibrio entre sí. "Se eligió como estándar en gran parte porque se puede reproducir fácilmente con precisión en un laboratorio, mientras que la temperatura del punto de congelación del agua puede verse afectada por una serie de variables de confusión. Instituto Nacional de Estándares y Tecnología define el kelvin como “la fracción 1 / 273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua”. Más simplemente, al punto triple del agua se le asigna un valor de 273,16 K.
La mayoría de los termómetros contienen líquido o metal que cambia de volumen o forma dependiendo de su temperatura. Cuando el líquido o metal alcanza el equilibrio térmico con el objeto o sustancia que se mide, la propiedad sensible a la temperatura del material en el termómetro se puede aprovechar paraindicar su temperatura.
Por ejemplo, algunos tipos de termómetros usan un líquido, típicamente alcohol o mercurio, que se expande o contrae al aumentar o disminuir la temperatura. Esta pequeña expansión se amplifica al tener un depósito relativamente grande de líquido en un bulbo de vidrio conectado a unatubo de vidrio muy estrecho. De esta manera, un pequeño cambio en el volumen del líquido en el bulbo puede provocar un gran cambio en el nivel del líquido en el tubo, de modo que la temperatura se puede determinar leyendo la altura del líquido contra un calibradoescala.
Otro tipo de termómetro se basa en la expansión térmica del metal. Nuevamente, el problema es cómo amplificar un cambio muy pequeño en el tamaño para que se pueda leer en una escala. Una forma es usar una bobina con muchos lazos para queun ligero cambio en la longitud se multiplica por el número de bucles. Otro tipo aprovecha el hecho de que los diferentes metales se expanden a diferentes velocidades cuando se calientan. Las tiras de dos metales diferentes con diferentes coeficientes de expansión se pueden laminar juntas para que el conjunto se riza cuando secalentado. Esta desviación puede mover una aguja que se puede leer en una escala.
Otro método para medir la temperatura se basa en cambios de color en materiales orgánicos sensibles a la temperatura. Por lo general, solo son útiles para medir rangos de temperatura limitados, como indicar fiebre o controlar la temperatura ambiente. Otro dispositivo, llamado a termistor , funciona según los cambios en resistividad eléctrica de un material semiconductor debido a su temperatura. Estos dispositivos pueden detectar cambios de temperatura extremadamente pequeños y se utilizan en bolómetros y para monitorear experimentos de laboratorio. Sin embargo, ninguna medición sería posible sin depender del principio descrito en la ley cero
Recursos adicionales
- La Facultad de Ciencias de la Universidad de Aalto informa sobre un equipo de investigación " récord mundial en bajas temperaturas . "
- El Centro de Investigación Glenn de la NASA explica " Equilibrio termodinámico ley cero . "
- El sitio web de HyperPhysics de la Universidad Estatal de Georgia también explica " equilibrio térmico . "