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Nullgesetz der Thermodynamik

Nullgesetz der Thermodynamik

Das Nullgesetz der Thermodynamik besagt, dass "wenn zwei Systeme mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht sind, sie auch miteinander im Gleichgewicht sind". Es ist auch als Nullprinzip der Thermodynamik bekannt.

Wenn A im Gleichgewicht mit B ist und A auch im thermischen Gleichgewicht mit C ist, können wir schließen, dass B im thermischen Gleichgewicht mit C ist.

Zwei Körper sollen sich im thermischen Gleichgewicht befinden, wenn sich ihre Zustandsvariablen beim Kontakt nicht ändern. Um diese einfache Idee herum wird das Nullgesetz aufgestellt.

Seltsamerweise war das Nullgesetz das letzte der Gesetze der Thermodynamik, das eingeführt wurde. Nachdem überprüft wurde, dass Wärme eine Energieform ist, die in eine andere umgewandelt werden kann, wurde die Terminologie als Thermodynamik bekannt.

Um eine logische Struktur bei der Darstellung der Thermodynamik zu erhalten, musste ein anderes Gesetz vor die zuvor genannten gestellt werden. Daher wurde dieses andere Gesetz das Nullgesetz der Thermodynamik genannt.

Mit den Grundlagen dieses Gesetzes können wir herausfinden, ob zwei Körper X und Y im Gleichgewicht sind. Überprüfen Sie dazu einfach mit einem Thermometer, ob die beiden Körper die gleiche Temperatur haben.

Aussage zum Nullgesetz der Thermodynamik

Die Aussage des Nullgesetzes der Thermodynamik besagt: "Zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten sind im Gleichgewicht miteinander."

Das Nullgesetz der Thermodynamik erlaubt es uns, Körper hinsichtlich ihres "Erwärmungsgrades" voneinander zu unterscheiden. Wir identifizieren dieses Attribut, das eine Eigenschaft des Systems ist, mit seiner Temperatur, die sich als makroskopisches (messbares) Konzept herausstellt.

Durch diese Konzepte können wir die Funktionsweise von Geräten verstehen, die als Thermometer bezeichnet werden. Thermometer sind Geräte, die die Körpertemperatur messen.

Es ist anzumerken, dass die Formulierung des Nullgesetzes der Thermodynamik drei feste Ideen enthält:

  • Die Existenz einer Zustandsvariablen, die als Temperatur bezeichnet wird.

  • Temperaturgleichheit als Bedingung für das thermische Gleichgewicht zwischen zwei Systemen oder zwischen Teilen desselben Systems.

  • Die Existenz einer Beziehung zwischen den unabhängigen Variablen des Systems und der Temperatur, die als Zustandsgleichung bezeichnet wird.

Beispiele für das Nullgesetz der Thermodynamik

Eis und Wasser

In diesem Beispiel geben wir einen Eiswürfel und ein mit heißem Wasser gefülltes Glas in eine luftdichte Box. In diesem Experiment erscheinen drei Elemente: Eis, Wasser und Luft aus der Box.

Nullgesetz der ThermodynamikAnfangs hat Eis eine niedrigere Temperatur als Luft. Die Luft gibt dem Eis also Energie.

Das Wasser hat eine höhere Temperatur als die Luft. Unter diesen Bedingungen überträgt das Wasser Energie an die Luft.

Nach einer Weile hat das Eis die gleiche Temperatur wie die Luft. Wasser hat auch die gleiche Temperatur wie Luft. Beide Elemente befinden sich im thermischen Gleichgewicht mit Luft. Daher haben Wasser und Eis (jetzt bereits geschmolzen) nach dem 0-Prinzip der Thermodynamik die gleiche Temperatur.

Thermometer Beispiel

Ein weiteres Beispiel, das Ihnen hilft, das Konzept des thermischen Gleichgewichts besser zu verstehen, ist das des Thermometers.

Stellen Sie sich einen Körper B vor, der aus einem Rohr mit einer quecksilberhaltigen Kapillare besteht. Seine Höhen über der Kapillare repräsentieren unterschiedliche Temperaturen.

Betrachten Sie nun einen Körper A. Zum Beispiel den menschlichen Körper. Wenn Sie das Thermometer nahe an den Körper bringen und es lange genug stehen lassen, erreicht das Thermometer den Wert, der der Körpertemperatur entspricht.

Das Thermometer und der menschliche Körper befinden sich im thermischen Gleichgewicht miteinander. Daher haben sie den gleichen numerischen Wert für die Temperatureigenschaft.

Konzepte zum Verständnis des Nullprinzips

Um das Nullgesetz der Thermodynamik zu verstehen, betrachten Sie das Verhalten von zwei oder mehr Systemen, die wie folgt aufgebaut sind.

Die Systeme A und B sind durch eine adiabatische Wand voneinander getrennt. Eine adiabatische Wand ist eine Wand, die keinen Wärmeaustausch zulässt.

Jeder der beiden Punkte steht durch diathermische Wände in thermischem Kontakt mit dem dritten System C. Diese Wände ermöglichen den Austausch von Wärmeenergie. Der gesamte Komplex ist von einer adiabatischen Mauer umgeben.

Unsere Erfahrung zeigt, dass beide Systeme mit dem dritten ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Darüber hinaus findet keine nachfolgende Änderung statt, wenn die adiabatische Wand, die A und B trennt, durch eine diathermische Wand ersetzt wird.

Geschichte des Nullgesetzes der Thermodynamik

Die Ideen von "heiß" und "kalt" waren schon immer Teil der sensorischen Erfahrungen des Menschen. 

Zwei der ersten Wissenschaftler, die diese Ideen zum Ausdruck brachten, waren Leonardo Da Vinci und Galileo. Diese Wissenschaftler wussten, dass bei Kontakt mit einem dritten Körper, normalerweise Luft, zwei oder mehr Körper, die mit ihm in Kontakt kamen, "in geeigneter Weise gemischt wurden, bis der gleiche Zustand erreicht war".

Dieser Zustand wurde aufgrund der Tendenz heißer Körper erreicht, ihre Energie in kältere Körper zu verteilen. Dieser Energiefluss wird Wärme oder Wärmeenergie genannt. Auf diese Weise können wir die Tendenz der Wärme wahrnehmen, von einem heißen zu einem kühleren Körper in seiner Umgebung zu diffundieren.

Diese Wärmeübertragung findet statt, bis keiner der Körper im System mehr Wärme aufnehmen kann.

Nullgesetz der ThermodynamikDas Nullgesetz der Thermodynamik hat diesen Namen dank Ralph H. Fowler (1889-1944), einem großen englischen Physiker. Im 20. Jahrhundert, nach einer langen Zeit der Entwicklung des experimentellen Gesetzes, betrachtete er es als Grundgesetz.

Ohne dieses Gesetz könnte das Konzept der Temperatur nicht definiert werden und es wurde postuliert: "Wenn zwei Körper mit einem dritten im thermischen Gleichgewicht sind, befinden sie sich im thermischen Gleichgewicht miteinander."

Es wurde jedoch notwendig, die Darstellung der Thermodynamik logischer zu strukturieren. Da das erste und das zweite Gesetz bereits formuliert worden waren, tauchte der Begriff Nullgesetz auf.

Seitdem wird diese Bezeichnung in der Physik verwendet.

Zusammenfassung

Das Nullgesetz der Thermodynamik besagt, dass zwei Elemente, die sich im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten Element befinden, die beiden Anfangselemente ebenfalls im thermischen Gleichgewicht miteinander sind.

    Autor:

    Erscheinungsdatum: 29. Juni 2016
    Geändert am: 31. Mai 2020