قوانین ترمودینامیک به زبان ساده

ترمودینامیک در مورد مفاهیمی مانند گرما، دما و تبدل متقابل گرما و دیگر انواع انرژی صحبت می‌کند. قوانین ترمودینامیک در مورد رفتار این کمیت‌ها توضیح می‌دهند. قوانین ترمودینامیک، کمیت‌های فیزیکی بنیادی مانند انرژی، دما و آنتروپی را تعریف و سیستم‌های ترمودینامیکی را در تعادل ترمودینامیکی بررسی می‌کنند. در این مطلب، قوانین ترمودینامیک را به زبان ساده توضیح می‌دهیم و در مورد کمیت‌هایی مانند آنتروپی صحبت می‌کنیم.قانون صفرم ترمودینامیک چیست ؟ترمودینامیک در رشته‌هایی مانند فیزیک، شیمی و مهندسی مطالعه می‌شود. این شاخه از علم تاثیر بسزایی بر رفتار ماده و انرژی در کیهان دارد. گرچه درک مفاهیم ترمودینامیک در نگاه نخست غیرممکن به‌ نظر می‌رسد، اگر زمان کافی برای مطالعه مفاهیم بنیادی این شاخه از علم صرف کنید، به طور حتم پس از مدتی از مطالعه آن لذت خواهید برد. ترمودینامیک نیز همانند فیزیک نیوتنی یا فیزیک کلاسیک از چند قانون تشکیل شده است. تعداد قوانین ترمودینامیک ابتدا سه قانون بود. سال‌ها بعد، قانون بنیادی دیگری نیز به آن اضافه شد و آن را قانون صفر ترمودینامیک نامیدند. در این بخش، در مورد این قانون صحبت می‌کنیم.تعادل گرمایی یا حرارتی را با ذکر مثالی ساده، کمی بیشتر توضیح می‌دهیم. فرض کنید برشی از کیک تولدتان روی میز قرار دارد. دایره‌ فولادی کوچکی را روی کیک قرار می‌دهیم. نخستین سوالی که ممکن است به ذهن برسد آن است که گرما بین کیک و دایره فولادی در کدام جهت جریان دارد. گرما از جسمی با دمای بالاتر به جسمی با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود. برای پیشبرد آزمایش فرض می‌کنیم برش کیک را چند دقیقه قبل از داخل یخچال بیرون آورده‌ایم، اما دایره فولادی در محیط اتاق بوده است. بنابراین، دمای برش کیک کمتر از دایره فولادی خواهد بود. از این‌رو، گرما از دایره فولادی به برش کیک منتقل می‌شود.آیا جریان گرما از دایره فولادی به کیک تا بی‌نهایت ادامه می‌یابد؟ خیر، انتقال گرما پس از مدت زمان مشخصی متوقف می‌شود. در این زمان، دایره فولادی به اندازه کافی به کیک گرما داده است. در نتیجه، هیچ گرمای خالصی بین دایره فولادی و کیک منتقل نمی‌شود. هنگامی که هیچ گرمای خالصی بین دو جسم در تماس منتقل نمی‌شود، آن دو جسم در تعادل گرمایی با یکدیگر هستند. در قانون صفرم ترمودینامیک، جسم سومی نیز باید وارد شود. به ‌همین دلیل ظرف آبی را به سیستم دو جسمی دایره فولادی و کیک اضافه می‌کنیم و آن را در تماس با دایره فولادی قرار می‌دهیم. برای راحتی کار فرض می‌کنیم ظرف آب و دایره فولادی در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند. بنابراین، هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود.جریان گرمابه لحظه جالبی رسیدیم. کیک با دایره فولادی در تعادل گرمایی بود و هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شد. در ادامه، ظرف آب وارد داستان شد و دایره فولادی با آن نیز در تعادل گرمایی قرار داشت. آیا می‌توان نتیجه گرفت که ظرف آب با کیک در تعادل گرمایی هستند؟ بله، ظرف آب و برش کیک در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند و هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود. در اینجا، بار دیگر به قانون صفرم ترمودینامیک سلام می‌کنیم. این قانون در جهانی که زندگی می‌کنیم به خوبی برقرار است. اکنون، جهانی را فرض کنید که در آن قانون صفر ترمودینامیک برقرار نیست. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟در جهان جدید باز هم برش کیک، ظرف آب و دایره فولادی داریم. در این جهان نیز دایره فولادی و برش کیک با یکدیگر در تعادل حرارتی قرار دارند. به طور مشابه، ظرف آب و دایره فولادی نیز در تعادل گرمایی با یکدیگر هستند و هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود. آیا ظرف آب و کیک فولادی در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند؟ خیر، در این جهان ظرف آب و کیک در تعادل گرمایی با یکدیگر نیستند. در این حالت، گرما از ظرف آب به برش کیک یا از برش کیک به ظرف آب منتقل می‌شود. این جهان، جهان خوبی برای زندگی و مطالعه فیزیک نخواهد بود، زیرا در این حالت باید تعریف جداگانه‌ای برای دما داشته باشیم و این تعریف به نوع ماده مورداستفاده وابسته است. جهانی که اکنون در آن زندگی می‌کنیم چنین رفتاری را از خود نشان نمی‌دهد. جهان ما از قانون صفرم ترمودینامیک پیروی می‌کند.این قانون به ما اجازه می‌دهد مقیاس دما را به صورت جهانی تعریف کنیم. هنگامی که دو جسم در تعادل حرارتی با یکدیگر قرار دارند، دمای آن‌ها یکسان خواهد بود. با استفاده از قانون صفرم ترمودینامیک به راحتی می‌توانیم بگوییم دمای برش کیک، دایره فولادی و ظرف آب با یکدیگر برابر هستند. با توجه به آن‌که دمای این سه جسم با یکدیگر برابر است، هر کدام از آن‌ها را انتخاب و در تماس با جسم دوم قرار دهیم، هیچ گرمای خالصی بین آن‌ها مبادله نخواهد شد. اگر قانون صفرم ترمودینامیک برقرار نبود، قادر به انجام این کار نبودیم. در اینجا، اهمیت این قانون مشخص می‌شود.