علوم پایه , فیزیک 66 بازدید

همان‌طور که در مقدمه مقاله «فرآیندهای ترمودینامیکی — به زبان ساده» اشاره کردیم، علم ترمودینامیک یکی از شاخه‌های بسیار مهم فیزیک و علوم مهندسی است که به بررسی انرژی گرمایی (انرژی درونی) سیستم‌های مختلف می‌پردازد. یکی از مفاهیم اساسی در علم ترمودینامیک دما است. در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده به مفهوم دما و قانون صفرم ترمودینامیک بپردازیم.

قانون صفرم ترمودینامیک
شماتیکی از بیان تعادل گرمایی و قانون صفرم ترمودینامیک

با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

دما

در مقاله «تعریف گرما و دما در ترمودینامیک — به زبان ساده» با مفهوم دما آشنا شدید. دما (Temperature) یکی از هفت کمیت اصلی (پایه) در سیستم بین‌المللی SI بوده که یکا (واحد) آن بر حسب درجه کلوین (Kelvin Scale) بیان می‌شود. دما کمیتی پیوسته بوده و دارای حد پایین است. مقدار این حد که به صفر مقیاس کلوین موسوم است، بر حسب درجه سانتی‌گراد (سلسیوس – Celsius) برابر با $$-273.15^\circ C$$ است. به عبارت دیگر رابطه بین درجه سانتی‌گراد و کلوین به صورت زیر است. لازم به ذکر است که دما حد بالا نداشته و می‌تواند به بی‌نهایت میل کند.

$$\large T_{\mathrm{C}}=T_{\mathrm{K}}-273.15$$

مطابق با رابطه فوق، دمای اتاق ($$25^\circ C$$) حدود $$298$$ کلوین است. شکل زیر گستره دما را بر حسب درجه کلوین برای چندین مثال نمایش می‌دهد. البته عبارت صحیح‌تر این است که واژه درجه را به کار نبرده و تنها از کلوین استفاده کنیم. عبارت درجه غالباً برای واحد‌های سلسیوس و فارنهایت (Fahrenheit) استفاده می‌شود.

درجه کلوین
شکل (۱): گسترده دما بر حسب درجه کلوین

دانشمندان دمای جهان قبل از آغاز را حدود $$10^{39}\ K$$ کلوین تخمین زده‌اند که با گذشت زمان و انبساط، خنک‌تر شده و به دمای میانگین حدود $$3\ K$$ رسیده است.

درجه سلسیوس و فارنهایت

در فیزیک و علوم مهندسی مرتبط، پارامتر دما در تمامی روابط بر حسب کلوین بیان می‌شود. همان‌طور که در شکل (۱) مشاهده کردید، در زندگی روزمره بیان دما بر حسب کلوین کمی مشکل و غیر متعارف است. در اغلب دماسنج‌ها، نرم‌افزارهای آب‌وهوا، وسایل زندگی روزمره و … غالباً دما بر حسب درجه سلسیوس و فارنهایت بیان می‌شود. واحد فارنهایت بیشتر در آمریکای شمالی مرسوم است. ارتباط بین درجه سلسیوس و فارنهایت به صورت زیر است:

$$\large T_{\mathrm{F}}=\frac{9}{5} T_{\mathrm{C}}+32$$

عبارت فوق بیان می‌کند که صفر مقیاس سلسیوس با عدد ۳۲ در مقیاس فارنهایت برابر است. و در صورتی که $$T_{C}$$ را ۵ جای‌گذاری کنیم، نتیجه می‌شود که هر ۵ واحد از مقیاس سلسیوس برابر با ۹ واحد از مقیاس فارنهایت است. همچنین ارتباط بین مقیاس فارنهایت با مقیاس کلوین به صورت زیر است:

$$\large T_{K}=\frac{5}{9}\left(T_{F}-32\right)+273.15$$

شکل زیر مقایسه‌ای از ۳ مقیاس کلوین، سلسیوس و فارنهایت را نشان می‌دهد.

فارنهایت
شکل (۲): مقایسه‌ای بین ۳ مقیاس مختلف دمای کلوین، درجه سلسیوس و درجه فارنهایت

جهت آشنایی کامل با سایر واحد‌های اندازه‌گیری دما، به مقاله «تبدیل واحد دما — به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

قانون صفرم ترمودینامیک

همان‌طور که می‌دانید، ویژگی‌های مواد با تغییر دما، تغییر می‌کنند. به طور مثال با افزایش دما حجم مایعات افزایش پیدا می‌کند. یا فشار گاز محبوس در یک محفظه زیاد می‌شود. همچنین طول یک میله فلزی کمی بیشتر می‌شود. یا مقاومت الکتریکی یک سیم افزایش پیدا می‌کند و … . هر یک از تغییرات فوق، می‌توانند به عنوان ابزاری جهت ثابت قرار دادن دما یا مقایسه دما به کار روند. در واقع با محاسبه و ثبت تغییرات هر یک از پارامترهای فوق، مثل مقاومت، فشار، طول و … می‌توانیم به تغییر دما پی‌ببریم.

ابزاری که با استفاده از پارامترهای فوق می‌تواند مقایسه‌ دمایی انجام دهد، دمانما (Thermoscope) نام دارد. دقت کنید که این ابزار را با دماسنج (Thermometer) اشتباده نگیرید چرا که هنوز مقیاس‌بندی نشده است. به عبارت دیگر عددی که یک دمانما نمایش می‌دهد، مفهوم فیزیکی دما را ندارد و تنها یک عدد جهت پی بردن به تغییر دما است. شکل زیر شماتیکی از یک دمانما را نشان می‌دهد که ساختار و فیزیک آن بر مبنای محاسبه مقاومت سیم درون آن است.

دمانما
شکل (۳): شماتیکی از یک دمانما

حال فرض کنید که مطابق با شکل زیر، یک دمانما (جسم $$C$$) را در نزدیکی جسم دیگری مثل $$A$$ قرار می‌دهیم. این کار را درون محفظه‌ای کاملاً ایزوله انجام می‌دهیم. به جهت قرارگیری دمانما در کنار جسم $$A$$، دمای آن تغییر کرده و پس از پایداری عددی را (مثلاً $$T$$) نمایش می‌دهد. در این صورت پارامتر یا ویژگی‌های قابل اندازه‌گیری دو جسم $$A$$ و $$C$$ (دمانما) مقدار پایداری پیدا کرده که در این صورت دو جسم مذکور در تعادل گرمایی هستند. عدد نشان داده شده توسط دمانما مفهوم خاصی نداشته و تنها می‌توانیم نتیجه بگیریم که دو جسم $$A$$ و $$C$$ دمای یکسانی دارند.

zeroth law of thermodynamics
شکل (۴): دو جسم C و A هم دما هستند.

حال مطابق با شکل زیر، فرآیند فوق را دوباره تکرار می‌کنیم. با این تفاوت که دمانما را کنار جسم $$B$$ قرار می‌دهیم و مشاهده می‌کنیم که عدد نمایش داده شده توسط دمانما با حالت قبلی یکسان است. در این صورت پی می‌بریم که دو جسم $$B$$ و $$C$$ (دمانما) نیز دمایی یکسان دارند.

قانون صفرم ترمودینامیک
شکل (۵): جسم C و B هم‌ دما هستند.

در قدم سوم، مطابق با شکل زیر،‌ دو جسم $$A$$ و $$B$$ را در نزدیکی یکدیگر قرار می‌دهیم. تجربه نشان می‌دهد که این دو جسم نیز به تعادل گرمایی رسیده و دمانمای درون محفظه همان عدد را نمایش می‌دهد.

قانون صفرم
شکل (۶): هر سه جسم، هم‌ دما هستند.

بیان فیزیکی تجربه و آزمایش فوق، بیان قانون صفرم ترمودینامیک (The Zeroth Law of Thermodynamics) بوده که به شکل زیر است:

«هرگاه دو جسم، هر یک به تنهایی با جسم سومی در تعادل گرمایی باشند، نتیجه می‌شود که خود با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند.»

با بیانی ساده‌تر، قانون صفرم ترمودینامیک بیان می‌کند که هر جسمی خاصیتی موسوم به دما دارد. هرگاه دو جسم با یکدیگر در تعادل گرمایی باشند، دماهایشان یکسان است. این عبارت را در جهت عکس نیز می‌توان بیان کرد. در واقع هرگاه دمای دو جسم برابر باشد، نتیجه می‌شود که با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند. با این اوصاف می‌توانیم دمانمای استفاده شده در بالا را مقیاس‌بندی کرده تا ابزاری کارآمد جهت مقایسه دمای دو جسم شود. به عبارت دیگر  با این کار، دمانما را تبدیل به دماسنج می‌کنیم.

در این صورت جهت مقایسه دمای دو جسم، نیازی به برقراری تماس بین آن دو نبوده و با یک دماسنج، به راحتی مقایسه دمای دو جسم امکان‌پذیر است. لازم به ذکر است که قانون صفرم ترمودینامیک در دهه 1930 میلادی، یعنی سال‌ها پس از کشف قانون اول و قانون دوم ترمودینامیک، جهت تکمیل مفاهیم بنیادی علم ترمودینامیک مطرح شد. از آنجایی که دما و مفهوم آن، زیر بنای دو قانون دیگر بود، نام قانون صفرم را برای آن انتخاب کردند. در واقع قانون صفرم ترمودینامیک به دلیل دربرداشتن مفهوم دما، بر دو قانون دیگر مقدم است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

به عنوان حامی، استارتاپ، محصول و خدمات خود را در انتهای مطالب مرتبط مجله فرادرس معرفی کنید.

telegram
twitter

اشکان ابوالحسنی

«اشکان ابوالحسنی» دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه‌ مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *