المفھوم الأساسي لدرجة الحرارة والقانون الصفر

من المعلوم أن خواص العديد من الأجسام تتبدل عندما يتغير الوسط المحيط بھا حراريا، فعند نقل جسم من الثلاجة إلى فرن أو العكس فانه سوف يستجيب لتلك التغيرات ،وأسلاك الكھرباء المشدودة في الشتاء والمنحنية في فصل الصيف ھو دليل لاستجابة الأجسام للمحيط الحراري .

إن الاعتماد على خاصية تمدد الأجسام وتقلصھا واستعمال واحدة من تلك الميزات كأساس لصناعة جھاز يساعدنا على ترسيخ فكرة أو مفھوم درجة الحرارة كان وما زال الركن الأساس في ترسيخ مفھوم درجة الحرارة.

نستطيع الآن استخدام جھاز الكتروني حساس جدا يعطينا أقل تغير في درجة الحرارة ،ولكن التفكير ھنا لا ينصب على ذلك بل ينصب على كيفية معايرة ھذا الجھاز لكي تدل أرقامه المعروضة على الشاشة على أرقام مفھومة بالنسبة لنا وتدل على درجة الحرارة وفق التعريف الذي سيعطى لھا.

في البداية سنسمي الجھاز الذي تزداد أرقامه في الجو الساخن وتتناقص في الجو البارد بالمنظار الحراري، وفي المثال التالي سوف نستخدم الجھاز كمنظار وبعد ذلك سيتم الاعتماد عليه كمقياس لدرجة الحرارة. المثال:

في الشكل (1) لدينا صندوق معزول تماما عن العالم الخارجي مؤلف من حجرتين بينھما حاجز وفي الحجرة الأولى جسم A على تماس مع المنظار الحراري ،وفي الحجرة الثانية جسم  Bلوحده، نلاحظ في الحجرة الأولى أن أرقام  المنظار تتحرك صعودا أو ھبوطا حتى تثبت عند رقم ما بحيث لن يحصل بعد ذلك أي تغيير ، فما الذي حصل؟؟؟؟

نقول عن ھذه الحالة أنه حصل توازن حراري بين الجسمين A والمنظار الحراري. ننقل المنظار الى الحجرة الثانية ونضعه على تماس مع الجسم B ولنفرض أنه بعد التوازن الحراري أعطى نفس الرقم السابق مع الجسم A ، وأخيرا لنأخذ الجسمين A, B ونضعهما على تماس مع بعضھما البعض وذلك بإزالة الحاجز من الصندوق المعزول حراريا ،فھل يمكن أن نجدهما في توازن حراري مع بعضھما البعض؟؟؟؟؟

والجواب على ھذا السؤال الذي يبدو واضحا ھو في الحقيقة ليس واضحا، والوضوح لا يتحقق إلا بالتجربة.فإذا كان لدينا قطعتان من الحديد كل واحدة منھما تجذب قطعة ثالثة من الحديد ، وھنا يمكن أو لايمكن أن يجذب أحدهما الآخر. إن التجربة السابقة تصوغ لنا ما يسمى بالقانون الصفر (zeroth law) في الديناميكا الحرارية ونصه على الشكل التالي:

إذا كان الجسمان B,A كل على حده في حالة توازن مع حسم ثالث فھما في حالة توازن مع بعضھما البعض.

أو بصياغة أخرى:

كل جسم يمتلك خاصة تسمى درجة الحرارة، فعندما نجد جسمين في حالة توازن حراري فان درجة حرارتھما متساويتين. واعتمادا على ھذه الخاصية نستطيع ألان تحويل المنظار الحراري إلى مقياس لدرجة الحرارة (ترمومتر (thermometer شريطة أن تعطي قراءاته مدلول فيزيائي ،وذلك من خلال معايرته وفق تجربة محددة.

يستعمل القانون الصفر الآن في المختبرات (المعامل) ،فإذا أردنا معرفة أن سائلين لھما نفس الدرجة فإننا نقوم بقياس درجة حرارة السائل الأول بالمقياس الحراري ثم القياس للسائل الثاني والاستنتاج فيما إذا كان السائلين لھما نفس الدرجة أم لا دون الحاجة إلى وضع السائلين على تماس مع بعضھما البعض والانتظار حتى يتم التوازن الحراري أو فيما إذا كان أي منھما في حالة عدم توازن حراري مع الآخر.

إن القانون الصفر الذي يبدو منطقيا بعد تفكير طويل بزغ إلى النور عام 1930 م وبعد فترة طويلة من اكتشاف القانون الأول والثاني في الديناميكا الحرارية ولذلك سمي بالقانون الصفر لأنه أعطى درجة الحرارة مفھومھا المرتبط مع القانون الأول والثاني.