Una de las cuatro leyes de la termodinámica es la ley cero de la termodinámica. Curiosamente, la ley cero de la termodinámica se formuló considerablemente más tarde que las tres leyes iniciales. Sin embargo, hubo un debate considerable sobre si debería denominarse cuarta ley o con otro nombre. El problema ocurrió porque la nueva legislación proporcionó una definición más clara de temperatura y reemplazó efectivamente los tres estatutos anteriores. A Fowler finalmente se le ocurrió un nombre que pondría fin a la discusión. El concepto de temperatura como indicación del equilibrio térmico está enmarcado en la ley cero de la termodinámica.
Ley cero de la termodinámica
Considere dos sistemas A y B, separados por una pared que no permite ningún intercambio de energía entre ellos. Tal pared se conoce como pared aislante o pared adiabática. El tercer sistema C está separado de los sistemas A y B por una pared conductora o diatérmica como se muestra en la figura.
Ley cero de la termodinámica
Dado que la energía se puede intercambiar entre los sistemas A y C, tanto A como C están en equilibrio térmico. De manera similar, la energía puede intercambiarse entre los sistemas B y C, por lo que tanto B como C también están en equilibrio térmico. En otras palabras, ambos sistemas A y B están en equilibrio térmico con el tercer sistema C por separado. Cuando se elimina la pared adiabática entre los sistemas A y B, no se produce transferencia de energía entre ellos. Esto muestra que los sistemas A y B también están en equilibrio térmico entre sí. Esta observación conduce a una importante ley conocida como la ley cero de la termodinámica, que se enuncia de la siguiente manera:
Dos sistemas A y B que están separadamente en equilibrio térmico con un tercer sistema C también están en equilibrio térmico entre sí.
De acuerdo con la ley cero de la termodinámica, si el sistema A está en equilibrio térmico con un sistema C, entonces
La temperatura del sistema A = temperatura del sistema C …………(1)
De manera similar, si el sistema B está en equilibrio térmico con el sistema C, entonces
La temperatura del sistema B = temperatura del sistema C …………(2)
Ahora, de las ecuaciones (1) y (2), tenemos una temperatura del sistema A = temperatura del sistema B. Así, la temperatura de un sistema o de un cuerpo se puede definir de la siguiente manera:
La temperatura de un sistema es una cantidad física, cuya igualdad es la única condición para el equilibrio térmico de dos sistemas o cuerpos en contacto.
o
La temperatura de un sistema o de un cuerpo es una cantidad física que indica si el sistema está o no en equilibrio térmico con otro sistema con el que está en contacto.
Equilibrio termal
La ley cero de la termodinámica reconoce que la temperatura es una medida valiosa ya que predice si el calor fluirá o no entre las cosas. Independientemente de cómo interactúen los elementos, esto es cierto. El calor puede moverse entre dos cosas incluso si no interactúan físicamente, según el método de transmisión de calor por radiación.
La ley cero de la termodinámica dice que no ocurrirá flujo de calor si los sistemas están en equilibrio térmico.
La termodinámica se distingue de otros estudios por la temperatura. Este rasgo es capaz de distinguir entre frío y calor. Cuando dos o más cuerpos de diferente temperatura entran en contacto, eventualmente alcanzan una temperatura similar y se dice que están en equilibrio térmico. Aunque están en condiciones de transmitir calor en base a otras consideraciones, se considera que los sistemas están en equilibrio térmico si no hay transferencia de calor. Si almacenamos alimentos en el refrigerador durante la noche, por ejemplo, los alimentos están en equilibrio térmico con el aire del refrigerador. El equilibrio térmico ocurre cuando el calor ya no se mueve de la comida al aire o del aire a la comida.
Ejemplo y aplicaciones de la ley cero de la termodinámica
La ley es crucial para la formulación matemática de la termodinámica o, dicho de otro modo, para expresar la definición matemática de temperatura. El uso más común de este concepto es comparar las temperaturas de diferentes cosas. Si queremos medir con precisión la temperatura, necesitaremos un cuerpo de referencia y una característica de ese cuerpo que cambie con la temperatura. El cambio en esa característica podría interpretarse como un cambio de temperatura. La característica elegida se denomina propiedad termodinámica.
No obstante, los termómetros son la aplicación más frecuente de la ley cero de la termodinámica. Usando un termómetro simple con mercurio en un tubo, podemos ser testigos de la operación de la ley cero. Debido a que el área del tubo permanece constante a medida que aumenta la temperatura, el mercurio se expande. La altura ha crecido como resultado de este desarrollo. Ahora bien, la variación en la altura de la etiqueta de mercurio indica cambios de temperatura y, en esencia, nos ayuda a medirla.
Dependiendo de sus características termométricas, se pueden utilizar varios tipos de termómetros. La siguiente es una lista de termómetros
- Termómetro de gas a presión constante – Volumen
- Termómetro de gas de volumen constante – Presión
- Termorresistencia eléctrica – Resistencia
- Termómetro de mercurio en vidrio – Longitud
- Termopar – fem térmica
Cuando tienes dos vasos de agua, tienes otra ilustración de la ley cero de la termodinámica. Un vaso se llenará con agua caliente, mientras que el otro se llenará con agua fría. Si las dejamos sobre la mesa durante unas horas, conseguirán el equilibrio térmico con la temperatura ambiente.
Problemas de muestra
Problema 1: ¿Qué es la Ley Cero de la termodinámica?
Solución:
De acuerdo con la Ley Cero de la Termodinámica, dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercer sistema por separado también están en equilibrio térmico entre sí.
Problema 2: el cuerpo A entra en contacto con el cuerpo B, que luego entra en contacto con el cuerpo C. A tiene una temperatura más alta que B, que es más alta que C. De acuerdo con la Ley Cero de la termodinámica, ¿cuál es la dirección adecuada del flujo?
Solución:
Si un cuerpo con una temperatura más alta entra en contacto con un cuerpo con una temperatura más baja, el cuerpo de temperatura más alta transferirá calor al cuerpo de temperatura más baja. Como resultado, el calor viajará desde el punto A hasta el punto B y finalmente alcanzará la misma temperatura.
Problema 3: Dé cualquier aplicación de la Ley Cero.
Solución:
Considere dos vasos diferentes de agua hirviendo como ejemplo. Cuando ponemos un termómetro en la primera taza, el agua se calienta hasta registrar 100 grados centígrados. Ahora podemos afirmar que el termómetro y la primera taza de agua están en equilibrio térmico. Luego, el termómetro se coloca en la segunda taza de agua hirviendo, donde continúa registrando 100 grados centígrados. Como resultado, el termómetro y la segunda taza de agua están en equilibrio térmico. Podemos deducir que las dos tazas separadas de agua hirviendo están en equilibrio térmico entre sí utilizando la lógica de la ley cero.
Problema 4: Definir temperatura.
Solución:
La temperatura de un sistema o de un cuerpo es una cantidad física que determina si el sistema está en equilibrio térmico con otro sistema en su contacto o no.
Problema 5: ¿Qué escala fue asistida por la ley cero de la termodinámica?
Solución:
La ley cero de la termodinámica se refiere al equilibrio térmico o entidades que no intercambian calor. El flujo de calor es causado por las diferencias de temperatura. Como resultado, esta ley ayudó en la medición e identificación de la temperatura como un atributo universal de la materia.