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Principe zéro de la thermodynamique

Principe zéro de la thermodynamique

Lo principe zéro de la thermodynamique stipule que "si deux systèmes sont en équilibre thermique avec un troisième, ils sont également en équilibre l'un avec l'autre". Il est également connu comme le loi zéro de la thermodynamique.

Si A est en équilibre avec B et A est également en équilibre thermique avec C, nous pouvons conclure que B est en équilibre thermique avec C.

On dit que deux corps sont en équilibre thermique lorsque leurs variables d'état ne changent pas au contact. Autour de cette idée simple, la loi zéro est établie.

Curieusement, la loi zéro a été la dernière des lois de la thermodynamique à être introduite. Après avoir vérifié que la chaleur est une forme d'énergie qui pourrait être transformée en une autre, la terminologie est devenue thermodynamique.

Pour obtenir une structure logique dans la présentation de la thermodynamique, il a fallu placer une autre loi avant celles qui avaient été énoncées précédemment. Ainsi, cette autre loi a été appelée la loi zéro de la thermodynamique.

Avec les fondements de cette loi, nous pouvons savoir si deux corps X et Y sont en équilibre. Pour ce faire, vérifiez simplement si les deux corps ont la même température à l'aide d'un thermomètre.

Énoncé de le principe zéro de la thermodynamique

L'énoncé du principe zéro de la thermodynamique dit que: "Deux systèmes en équilibre thermique avec un troisième sont en équilibre l'un avec l'autre."

La loi zéro de la thermodynamique nous permet de différencier les corps les uns des autres en fonction de leur "degré d'échauffement". Nous identifions cet attribut, qui est une propriété du système, avec sa température, qui se révèle être un concept macroscopique (mesurable).

Grâce à ces concepts, nous pouvons comprendre le fonctionnement d'appareils appelés thermomètres. Les thermomètres sont des appareils qui mesurent la température des corps.

Il convient de noter que la formulation de la loi zéro de la thermodynamique contient trois idées fermes:

  • L'existence d'une variable d'état, appelée température.

  • L'égalité des températures comme condition d'équilibre thermique entre deux systèmes, ou entre des parties d'un même système.

  • L'existence d'une relation entre les variables indépendantes du système et la température, appelée équation d'état.

Exemples de la loi zéro de la thermodynamique

Glace et eau

Dans cet exemple, nous mettons un glaçon et un verre rempli d'eau chaude dans une boîte hermétique. Trois éléments apparaissent dans cette expérience: la glace, l'eau et l'air de la boîte.

Principe zéro de la thermodynamiqueAu départ, la glace a une température plus basse que l'air. Ainsi, l'air donnera de l'énergie à la glace.

L'eau est à une température plus élevée que l'air. Dans ces conditions, l'eau transfère de l'énergie à l'air.

Après un certain temps, la glace aura la même température que l'air. L'eau aura également la même température que l'air. Les deux éléments seront en équilibre thermique avec l'air. Par conséquent, selon le principe 0 de la thermodynamique, l'eau et la glace (maintenant déjà fondues) auront la même température.

Exemple de thermomètre

Un autre exemple qui vous aidera à mieux comprendre le concept d'équilibre thermique est celui du thermomètre.

Considérons un corps B composé d'un tube avec un capillaire contenant du mercure. Ses niveaux de hauteur au-dessus du capillaire représentent différentes températures.

Considérons maintenant un corps A. Par exemple le corps humain. Si vous rapprochez le thermomètre du corps et le laissez assez longtemps, le thermomètre atteindra la valeur correspondant à la température corporelle.

Le thermomètre et le corps humain seront en équilibre thermique l'un avec l'autre. Par conséquent, ils auront la même valeur numérique pour la propriété de température.

Concepts pour comprendre le principe zéro

Pour comprendre le principe zéro de la thermodynamique, considérons le comportement de deux ou plusieurs systèmes constitués comme suit.

Les systèmes A et B sont séparés l'un de l'autre par une paroi adiabatique. Un mur adiabatique est un mur qui ne permet pas l' échange de chaleur.

Chacun des deux points est en contact thermique avec le troisième système C à travers des parois diathermiques. Ces murs permettent l'échange d' énergie thermique. L'ensemble du complexe est entouré d'une paroi adiabatique.

D'après notre expérience, les deux systèmes atteindront l'équilibre thermique avec le troisième. De plus, aucun changement ultérieur n'aura lieu si la paroi adiabatique séparant A et B est remplacée par une paroi diathermique.

Histoire de la loi zéro de la thermodynamique

Les idées de «chaud» et de «froid» ont toujours fait partie des expériences sensorielles de l'homme. 

Deux des premiers scientifiques à exprimer ces idées ont été Léonard de Vinci et Galileo. Ces scientifiques savaient qu'au contact d'un troisième corps, généralement de l'air, deux ou plusieurs corps en contact avec lui "se mélangeaient de manière appropriée jusqu'à atteindre le même état".

Cette condition a été obtenue en raison de la tendance des corps chauds à diffuser leur énergie vers des corps plus froids. Ce flux d'énergie est appelé chaleur ou énergie thermique. Ainsi, nous pouvons percevoir la tendance de la chaleur à diffuser de tout corps chaud vers des corps plus froids dans son environnement.

Ce transfert de chaleur a lieu jusqu'à ce qu'aucun des corps du système ne soit capable d'absorber plus de chaleur.

Principe zéro de la thermodynamiqueLa loi zéro de la thermodynamique porte ce nom grâce à Ralph H. Fowler (1889-1944), un grand physicien anglais. Au XXe siècle, après un long développement de la loi expérimentale, il la considère comme une loi fondamentale.

Sans cette loi, le concept de température ne pourrait pas être défini et il a été postulé que: "Si deux corps sont en équilibre thermique avec un troisième, ils seront en équilibre thermique l'un avec l'autre".

Cependant, il est devenu nécessaire de structurer la présentation de la thermodynamique de manière plus logique. Parce que les première et deuxième lois avaient déjà été formulées, le terme loi zéro est apparu.

Depuis lors, cette dénomination est utilisée en physique.

Résumé

La loi zéro de la thermodynamique stipule que deux éléments qui sont en équilibre thermique avec un troisième élément, les deux éléments initiaux sont également en équilibre thermique l'un avec l'autre.

    Auteur :

    Date de publication : 29 juin 2016
    Dernier examen : 31 mai 2020