Was ist der nullte Hauptsatz der Thermodynamik?
Das nullte Gesetz von Thermodynamik besagt, dass, wenn zwei Körper mit einem dritten Körper im thermischen Gleichgewicht stehen, sie auch miteinander im Gleichgewicht sind. Thermisches Gleichgewicht bedeutet, dass, wenn zwei Körper miteinander in Kontakt gebracht und durch eine wärmedurchlässige Barriere getrennt werden, keine Wärme von einem zum anderen übertragen wird.
Mit anderen Worten, das nullte Gesetz bedeutet, dass die drei Körper alle gleich sind Temperaturgemäß NASA. James Clerk Maxwell drückte dies vielleicht einfacher aus, als er sagte: „Alle Hitze ist von derselben Art.“ (Longmans, Green und Co. 1875). Am wichtigsten ist, dass das nullte Gesetz festlegt, dass die Temperatur eine grundlegende und messbare Eigenschaft von ist Angelegenheit.
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Geschichte des nullten Hauptsatzes der Thermodynamik
Als der nullte Hauptsatz ursprünglich im 18. Jahrhundert konzipiert wurde, gab es bereits zwei Hauptsätze der Thermodynamik. .Dieses neue Gesetz, das eine formale Definition der Temperatur darstellte, ersetzte jedoch die bestehenden Gesetze und sollte zu Recht an der Spitze der Liste stehen OpenStax, eine Bildungsorganisation der Rice University. Dies führte zu einem Dilemma: Die ursprünglichen Gesetze waren durch ihre zugewiesenen Nummern bereits bekannt, und eine Umnummerierung würde einen Konflikt mit der bestehenden Literatur erzeugen und erhebliche Verwirrung stiften. Ein Wissenschaftler, Ralph H. FowlerEr fand eine Lösung für das Dilemma: Er nannte das neue Gesetz das „nullte Gesetz“. (Cambridge University Press, 1939). (Interessanterweise Science-Fiction-Autor Isaac asimov eignete sich die Idee für ein nulltes Gesetz in seinem 1985 erschienenen Roman „Roboter und Imperium“ als er feststellte, dass er ein neues Gesetz hinzufügen musste Drei Gesetze der Robotik das das Erste Gesetz ersetzte.)
David McKee, Professor für Physik an der Missouri Southern State University, sagte gegenüber Live Science, dass das nullte Gesetz festlegt, dass „die Temperatur zweier Systeme das einzige ist, was Sie wissen müssen, um zu bestimmen, in welche Richtung Wärme zwischen ihnen fließt“.
Thermometer
Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik definiert die Temperatur und macht Thermometer möglich. Damit ein Thermometer jedoch nützlich ist, muss es zuerst kalibriert werden. Alle anderen Basismaßeinheiten – wie Länge, Masse, Zeit etc. – sind jeweils nach einem genauen Standard definiert. In diesem Fall müssen Wissenschaftler nicht nur eine Maßeinheit definieren, sondern auch den Anfangspunkt der Skala.
Die bemerkenswertesten frühen Bemühungen zur Standardisierung der Temperaturmessung waren die des deutschen Instrumentenherstellers Daniel Gabriel Fahrenheit. Im frühen 18. Jahrhundert erfand Fahrenheit die bekannten Glasröhren-Thermometer, die sowohl Alkohol als auch Alkohol verwendeten Merkur. Er erfand auch die Fahrenheit-Skala, die den Gefrier- und Siedepunkt von Wasser auf 32 Grad Fahrenheit bzw. 212 Grad Fahrenheit festlegt und bis heute verwendet wird, insbesondere in den Vereinigten Staaten. Der größte Teil der übrigen Welt verwendet die Celsius-Skala, die dem Wasser auf mittlerer Meereshöhe Werte von 0 Grad für den Gefrierpunkt und 100 Grad für seinen Siedepunkt zuweist.
Alle in Wissenschaft und Technik verwendeten Messskalen beginnen bei einem Wert von Null. Das Konzept von Null Länge, Masse oder Zeit ist relativ einfach zu verstehen; jedoch Nulltemperatur, bzw Absoluter Nullpunkt, wo absolut keine Wärmeenergie vorhanden ist, ist etwas schwieriger zu verstehen. Dies liegt daran, dass eine solche Temperatur noch nie in der Natur oder im Labor beobachtet wurde und allgemein angenommen wird, dass dies niemals der Fall sein wird; Wissenschaftler haben jedoch bekommen sehr nah.
Die Einheit der thermodynamischen Temperatur ist das Kelvin (K) und wurde ursprünglich nach dem Tripelpunkt des Wassers definiert. Der Tripelpunkt ist definiert als „
die Bedingung von Temperatur und Druck, unter der die gasförmigen, flüssigen und festen Phasen eines Stoffes im Gleichgewicht existieren können“, so Merriam-Webster. Während dieser Standard für Umgebungstemperaturen geeignet war, machte er Messungen bei sehr hohen und sehr niedrigen Temperaturen unsicher. Also im Jahr 2019, Die Internationales Büro für Maß und Gewicht änderte den Standard so, dass er auf der Boltzmann-Konstante (k) basiert, die die Temperatur mit der durchschnittlichen Energie der Teilchen in einer Substanz in Beziehung setzt. Diese Definition erkennt an, dass die Temperatur nach Angaben des Vereinigten Königreichs ein Maß für die durchschnittliche Energie der molekularen Bewegung ist Nationales Physikalisches Labor.
Die meisten Thermometer enthalten Flüssigkeiten oder Metalle, die je nach Temperatur Volumen oder Form ändern. Wenn die Flüssigkeit oder das Metall ein thermisches Gleichgewicht mit dem zu messenden Objekt oder der zu messenden Substanz erreicht, kann die temperaturempfindliche Eigenschaft des Materials im Thermometer genutzt werden, um seine Temperatur anzuzeigen, so die NASA.
Beispielsweise verwenden einige Arten von Thermometern eine Flüssigkeit, typischerweise Alkohol oder Quecksilber, die sich mit steigender oder fallender Temperatur ausdehnt oder zusammenzieht. Diese geringe Ausdehnung wird durch ein relativ großes Flüssigkeitsreservoir in einem Glaskolben verstärkt, der mit einem langen und sehr schmalen Glasrohr verbunden ist. Auf diese Weise kann eine kleine Änderung des Flüssigkeitsvolumens im Kolben eine große Änderung des Flüssigkeitsspiegels im Rohr bewirken; die Temperatur kann dann durch Ablesen der Höhe der Flüssigkeit gegen eine kalibrierte Skala bestimmt werden, gemäß Harper-College.
Ein anderer Thermometertyp beruht auf der Wärmeausdehnung von Metall. Auch hier besteht das Problem darin, eine sehr kleine Größenänderung zu verstärken, damit sie auf einer Skala abgelesen werden kann. Eine Methode besteht aus einer Spule mit vielen Schleifen, so dass selbst eine geringfügige Längenänderung mit der Anzahl der Schleifen multipliziert wird und somit ablesbar ist. Ein anderes Verfahren nutzt die Tatsache aus, dass sich verschiedene Metalle bei Erwärmung unterschiedlich schnell ausdehnen. Streifen aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten – dem Ausmaß, in dem sich das Material bei einer bestimmten Temperaturänderung ausdehnt – können zusammenlaminiert werden, sodass sich die Baugruppe bei Erwärmung kräuselt. Dieses „Einrollen“ kann eine Nadel, die an einer Skala abgelesen werden kann, entsprechend bewegen Die Pennsylvania State University.
Ein weiteres Verfahren zur Temperaturmessung beinhaltet Farbänderungen in temperaturempfindlichen organischen Materialien. Diese sind in der Regel nur zum Messen begrenzter Temperaturbereiche nützlich, z. B. zum Anzeigen von Fieber oder zum Überwachen der Raumtemperatur. Ein anderes Gerät, das als Thermistor bezeichnet wird, arbeitet basierend auf Änderungen des elektrischen Widerstands eines halbleitenden Materials aufgrund seiner Temperatur Pennsylvania. Diese Geräte können extrem kleine Temperaturänderungen erkennen und werden in verwendet Bolometer — die Strahlung auf der Grundlage einer Temperaturänderung messen — und zur Überwachung von Laborexperimenten. Allerdings wäre keine Messung möglich, ohne sich auf das im nullten Hauptsatz beschriebene Prinzip zu verlassen.
Dieser Artikel wurde am 1. Februar 2022 von Ashley Hamer, Mitarbeiterin von Live Science, aktualisiert.
Zusätzliche Ressourcen
Literaturverzeichnis
NASA Glenn Research Center, „Thermodynamisches Gleichgewicht (Nullgesetz),“ 2021. https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo0.html
James Clerk Maxwell, „Theory of Heat“, Longmans, Green und Co. 1875.
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Harper College, „Temperaturmessung“. http://dept.harpercollege.edu/chemistry/chm/100/dgodambe/thedisk/labtech/temper.htm
Die Pennsylvania State University, „Meteorologie 3: Thermometer“. http://www.meteo.psu.edu/wjs1/Meteo3/Html/temperature.htm
Die Pennsylvania State University, „NTC-Thermistoren“. https://www.me.psu.edu/sommer/me445/n11_thermistors.pdf
University of California, Berkeley, „Warum Bolometer?“ 2001. http://bolo.berkeley.edu/bolometers/introduction.html