กฎของอุณหพลศาสตร์ Zeroth คืออะไร?

กฎซีโรทของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าหากร่างกายสองตัวแต่ละตัวอยู่ในสมดุลความร้อนที่มีร่างกายที่สามบางตัวก็จะอยู่ในสมดุลซึ่งกันและกัน ดุลยภาพทางความร้อนหมายความว่าเมื่อมีการสัมผัสกันสองร่างซึ่งกันและกันและคั่นด้วยสิ่งกีดขวางที่ซึมผ่านความร้อนจะไม่มีการถ่ายโอนความร้อนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

กล่าวอีกนัยหนึ่งกฎหมาย Zeroth หมายถึงร่างกายทั้งสามนั้นเหมือนกันทั้งหมดอุณหภูมิ, ตามนาซ่า-James Clerk Maxwellใส่สิ่งนี้มากขึ้นเมื่อเขาพูดว่า "ความร้อนทั้งหมดเป็นแบบเดียวกัน" (Longmans, Green และ Co 1875) สิ่งที่สำคัญที่สุดคือกฎหมาย Zeroth กำหนดว่าอุณหภูมิเป็นคุณสมบัติพื้นฐานและวัดได้ของวัตถุ-

ที่เกี่ยวข้อง:5 แนวคิด Sci-Fi ที่เป็นไปได้ (ในทางทฤษฎี)

ประวัติความเป็นมาของกฏหมายอุณหพลศาสตร์

เมื่อกฎหมาย Zeroth ถูกตั้งครรภ์ในศตวรรษที่ 18 มีสองอยู่แล้วกฎหมายอุณหพลศาสตร์- . อย่างไรก็ตามกฎหมายใหม่นี้ซึ่งนำเสนอคำจำกัดความของอุณหภูมิอย่างเป็นทางการแทนที่กฎหมายที่มีอยู่และควรอยู่ที่หัวของรายการอย่างถูกต้องOpenStaxองค์กรการศึกษาดำเนินการโดยมหาวิทยาลัยไรซ์ สิ่งนี้สร้างภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก: กฎหมายดั้งเดิมเป็นที่รู้จักกันดีอยู่แล้วโดยตัวเลขที่ได้รับมอบหมายและการจัดลำดับใหม่พวกเขาจะสร้างความขัดแย้งกับวรรณกรรมที่มีอยู่และทำให้เกิดความสับสนอย่างมาก นักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งRalph H. Fowlerเกิดขึ้นพร้อมกับการแก้ปัญหาของภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก: เขาเรียกกฎหมายใหม่ว่า "กฎหมาย Zeroth" (สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ 2482) (น่าสนใจนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์Isaac Asimovจัดสรรความคิดสำหรับกฎหมาย Zeroth ในนวนิยายปี 1985 ของเขา "หุ่นยนต์และอาณาจักร"เมื่อเขาพบว่าเขาจำเป็นต้องเพิ่มกฎหมายใหม่ให้กับสามกฎหมายของหุ่นยนต์ที่แทนที่กฎข้อแรก)

David McKee ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ Missouri Southern State University บอกกับวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิตว่ากฎหมาย Zeroth ระบุว่า "อุณหภูมิของสองระบบเป็นสิ่งเดียวที่คุณต้องรู้เพื่อกำหนดทิศทางความร้อนที่จะไหลระหว่างพวกเขา"

เครื่องวัดอุณหภูมิ

กฎซีโรทของอุณหพลศาสตร์กำหนดอุณหภูมิและทำให้เทอร์โมมิเตอร์เป็นไปได้ แม้ว่าเทอร์โมมิเตอร์จะเป็นประโยชน์ แต่จะต้องมีการสอบเทียบก่อน หน่วยการวัดพื้นฐานอื่น ๆ ทั้งหมด - เช่นความยาวมวลเวลา ฯลฯ - แต่ละตัวถูกกำหนดตามมาตรฐานที่แม่นยำ ในกรณีนี้นักวิทยาศาสตร์จะต้องไม่เพียง แต่กำหนดหน่วยของการวัด แต่ยังเป็นจุดเริ่มต้นของมาตราส่วน

ความพยายามในช่วงต้นที่โดดเด่นที่สุดในการกำหนดมาตรฐานการวัดอุณหภูมิคือของผู้ผลิตเครื่องมือเยอรมันDaniel Gabriel Fahrenheit- ในช่วงต้นศตวรรษที่ 18 ฟาเรนไฮต์คิดค้นเครื่องวัดอุณหภูมิหลอดแก้วที่คุ้นเคยโดยใช้ทั้งแอลกอฮอล์และปรอท- นอกจากนี้เขายังคิดค้นระดับฟาเรนไฮต์ซึ่งกำหนดจุดแช่แข็งและการเดือดของน้ำที่ 32 องศาฟาเรนไฮต์และ 212 องศาฟาเรนไฮต์ตามลำดับและยังคงใช้มาจนถึงทุกวันนี้โดยเฉพาะในสหรัฐอเมริกา ส่วนที่เหลือของโลกส่วนใหญ่ใช้มาตราส่วนของเซลเซียสซึ่งกำหนดค่า 0 องศาสำหรับจุดเยือกแข็งของน้ำและ 100 องศาสำหรับจุดเดือดที่ระดับน้ำทะเลเฉลี่ย

เครื่องชั่งวัดทั้งหมดที่ใช้ในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเริ่มต้นที่ค่าศูนย์ แนวคิดของความยาวศูนย์มวลหรือเวลาค่อนข้างง่ายต่อการจับ; อย่างไรก็ตามอุณหภูมิศูนย์หรือZero สัมบูรณ์ที่ที่ไม่มีพลังงานความร้อนใด ๆ ก็ยากที่จะเข้าใจ นี่เป็นเพราะอุณหภูมิดังกล่าวไม่เคยถูกสังเกตในธรรมชาติหรือในห้องปฏิบัติการและโดยทั่วไปแล้วเชื่อว่ามันจะไม่เป็นเช่นนั้น อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ได้รับใกล้มาก-

เทอร์โมมิเตอร์ส่วนใหญ่มีของเหลวหรือโลหะที่เปลี่ยนปริมาตรหรือรูปร่างขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เมื่อของเหลวหรือโลหะถึงสมดุลความร้อนด้วยวัตถุหรือสารที่ถูกวัดนาซ่า-

ตัวอย่างเช่นเครื่องวัดอุณหภูมิบางประเภทใช้ของเหลวโดยทั่วไปแอลกอฮอล์หรือปรอทซึ่งขยายหรือหดตัวด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นหรือลดลง การขยายตัวเล็ก ๆ นี้ได้รับการขยายโดยมีอ่างเก็บน้ำขนาดใหญ่ของของเหลวในหลอดแก้วที่เชื่อมต่อกับหลอดแก้วที่แคบและแคบมาก ด้วยวิธีนี้การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในปริมาตรของของเหลวในหลอดไฟอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในระดับของของเหลวในหลอด อุณหภูมิสามารถกำหนดได้โดยการอ่านความสูงของของเหลวกับสเกลที่ปรับเทียบตามวิทยาลัยฮาร์เปอร์-

เทอร์โมมิเตอร์อีกประเภทหนึ่งขึ้นอยู่กับการขยายตัวทางความร้อนของโลหะ อีกครั้งปัญหาคือวิธีการขยายขนาดการเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กมากเพื่อให้สามารถอ่านได้ในระดับ วิธีหนึ่งเกี่ยวข้องกับขดลวดที่มีลูปจำนวนมากดังนั้นแม้ความยาวการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยจะได้รับการคูณด้วยจำนวนลูปและสามารถอ่านได้ อีกวิธีหนึ่งใช้ประโยชน์จากความจริงที่ว่าโลหะต่าง ๆ ขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกันเมื่อถูกความร้อน แถบของโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวที่แตกต่างกัน - ระดับที่วัสดุขยายออกไปสำหรับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในปริมาณหนึ่ง - สามารถลามิเนตเข้าด้วยกันเพื่อให้การประกอบจะม้วนงอเมื่อถูกความร้อน "ม้วนงอ" นี้สามารถย้ายเข็มที่สามารถอ่านกับสเกลได้ตามมหาวิทยาลัยรัฐเพนซิลเวเนีย-

อีกวิธีหนึ่งในการวัดอุณหภูมิเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสีของวัสดุอินทรีย์ที่ไวต่ออุณหภูมิ โดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการวัดช่วงอุณหภูมิที่ จำกัด เช่นการระบุว่ามีไข้หรือการตรวจสอบอุณหภูมิห้อง อุปกรณ์อื่นที่เรียกว่าเทอร์มิสเตอร์ทำงานบนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากอุณหภูมิของมันรัฐเพนน์- อุปกรณ์เหล่านี้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่น้อยมากและใช้ในเครื่องราง- ใดที่วัดรังสีตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ - และเพื่อตรวจสอบการทดลองในห้องปฏิบัติการ อย่างไรก็ตามจะไม่มีการวัดใด ๆ โดยไม่ต้องพึ่งพาหลักการที่อธิบายไว้ในกฎหมายของศูนย์

บทความนี้ได้รับการอัปเดตเมื่อวันที่ 1 กุมภาพันธ์ 2565 โดยผู้สนับสนุนวิทยาศาสตร์สด Ashley Hamer

ทรัพยากรเพิ่มเติม

• นี้วิดีโอจาก CrashCourseเป็นผู้อธิบายภาพเคลื่อนไหวที่มีสีสันเกี่ยวกับกฎหมายแรกและ Zeroth ของอุณหพลศาสตร์
• เรียนรู้เกี่ยวกับกฎของอุณหพลศาสตร์จาก "ผู้อธิบายที่ยอดเยี่ยม" ในการบรรยาย Richard Feynman นี้ได้รับความอนุเคราะห์จาก Caltech
• John Horgan กล่าวว่าสิ่งที่เรียกว่า "กฎหมายลบครั้งแรก" มีความสำคัญยิ่งกว่ากฎ Zeroth ของอุณหพลศาสตร์ในความคิดเห็นชิ้นนี้ใน Scientific American-

บรรณานุกรม

ศูนย์วิจัยนาซ่าเกล็น "ดุลยภาพทางอุณหพลศาสตร์ (กฎหมายซีโรท)," 2021https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/thermo0.html

James Clerk Maxwell, "Theory of Heat," Longmans, Green, และ Co. 1875

Ian T. Durham, "Ralph Fowler," St. Anselm College, มีนาคม 2544https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/biographies/fowler/

ชีวประวัติ, "Isaac Asimov," เมษายน 2014https://www.biography.com/writer/isaac-asimov

MindMatters News "สามกฎหมายของหุ่นยนต์ล้มเหลวในหุ่นยนต์" 28 กันยายน 2019https://mindmatters.ai/2019/09/the-three-laws-of-robotics-have-failed-the-robots/

University of Michigan, "สามกฎหมายของหุ่นยนต์"https://websites.umich.edu/~engb415/literature/cyberzach/asimov/robolaw.html

สารานุกรมชีวประวัติโลก "Gabriel Fahrenheit ชีวประวัติ"https://www.notablebiographies.com/du-fi/fahrenheit-gabriel.html

พจนานุกรม Merriam-Webster "Triple Point"https://www.merriam-webster.com/dictionary/triple%20point

สำนักน้ำหนักและมาตรการระหว่างประเทศ "โบรชัวร์ SI: ระบบระหว่างประเทศของหน่วย (SI)," 2019https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure

ห้องปฏิบัติการทางกายภาพแห่งชาติ "หน่วย SI: Kelvin (K)," 2021https://www.npl.co.uk/si-units/kelvin

Harper College, "การวัดอุณหภูมิ"https://dept.harpercollege.edu/chemistry/chm/100/dgodambe/thedisk/labtech/temper.htm

มหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลเวเนีย "อุตุนิยมวิทยา 3: เทอร์โมมิเตอร์"https://www.meteo.psu.edu/wjs1/meteo3/html/temperature.htm

มหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลเวเนีย "NTC Thermistors"https://www.me.psu.edu/sommer/me445/n11_thermistors.pdf

University of California, Berkeley, "ทำไม Bolometers?" 2544.https://bolo.berkeley.edu/bolometers/introduction.html