Читати книгу - "Чотири закони, що рухають Всесвіт"

Припустімо, ми маємо дві закриті системи. Кожна з них оснащена поршнем з одного боку й закріплена так, щоб перетворитися на жорсткий контейнер (рис. 1).

Рис. 1. Якщо гази в цих двох контейнерах перебувають під різним тиском, то після виймання стримувальних штифтів поршні рухатимуться в той чи інший бік, поки тиск в обох системах не вирівняється. Тоді обидві системи опиняться в механічній рівновазі. Якщо тиск в обох системах від самого початку однаковий, то після виймання штифтів ми не спостерігатимемо руху поршнів, адже дві системи вже перебувають у стані механічної рівноваги.

Два поршні з’єднані між собою жорстким стрижнем таким способом, що коли один рухається назовні, то інший рухається всередину. Тепер виймімо з поршнів стримувальні штифти. Якщо поршень ліворуч зрушить поршень праворуч і змусить його рухатися всередину системи, то можна виснувати, що тиск ліворуч був вищий, ніж праворуч, хоча ми навіть не вимірювали тиск у системах. Якби в цьому своєрідному змаганні переміг поршень праворуч, ми могли б виснувати, що тиск у ньому був вищий, ніж ліворуч. Якби після виймання штифта нічого не сталося, то ми б виснували, що тиск у двох системах був однаковий, попри його фактичне значення. Умову, що виникає внаслідок рівності тиску, у науці називають механічною рівновагою. Термодинамістів зазвичай дуже цікавить ситуація, коли нічого не відбувається. З перебігом нашого подальшого знайомства з законами термодинаміки ця умова рівноваги набуватиме дедалі більшого значення.

Розгляньмо ще один аспект механічної рівноваги. Поки що він може видаватися тривіальним, але завдяки йому ми зможемо встановити аналогію, яка дозволить ввести поняття температури. Припустімо, ми маємо дві з’єднані системи (назвімо їх A і B) із вийнятими штифтами. Системи перебувають у механічній рівновазі, тобто тиск усередині них однаковий. Тепер припустімо, що ми роз’єднуємо їх і так само з’єднуємо систему A з третьою системою (C), оснащеною поршнем. Припустімо, що ми не спостерігаємо ніяких змін і на підставі цього висновуємо, що системи A і C перебувають у механічній рівновазі. Із цього випливає, що вони мають однаковий тиск. Тепер припустімо, що ми роз’єднуємо їх і таким самим механічним способом з’єднуємо систему C із системою B. Навіть без експерименту ми знаємо, що нічого не станеться. Через те що системи A і B, як і системи A і C, мають однаковий тиск, ми можемо бути впевнені, що системи C і B також мають однаковий тиск. У цьому прикладі тиск виступає універсальним показником механічної рівноваги.

Тепер перейдімо від механіки до термодинаміки та світу нульового закону. Припустімо, що системи A і B мають жорсткі металеві стінки. Після того як ми з’єднаємо ці дві системи, вони можуть зазнати певних фізичних змін. Наприклад, їхній тиск може змінитися або через спостерігальне вічко ми побачимо зміну кольору. Повсякденною мовою ми б сказали, що «теплота перейшла з однієї системи до іншої» і відповідно змінилися їхні властивості. Але навіть не тіште себе думкою, ніби ми знаємо, що таке насправді теплота. Це таємничий аспект першого закону, а ми ще навіть не розібралися з нульовим законом.

Може статися так, що після з’єднання двох систем не відбувається ніяких змін, навіть якщо системи виготовлені з металу. У такому разі ми кажемо, що дві системи перебувають у тепловій рівновазі. Тепер розгляньмо три системи (рис. 2), як ми це робили, коли обговорювали механічну рівновагу.

Рис. 2. Представлення нульового закону із залученням (вгорі ліворуч) трьох систем, що можуть бути приведені в тепловий контакт. Якщо A перебуває в тепловій рівновазі з B (угорі праворуч), а В у тепловій рівновазі з C (унизу ліворуч), то коли потім приєднати C до A, то ми можемо бути впевнені, що C також опиниться в тепловій рівновазі з A, якщо їх з’єднати (унизу праворуч).

З’ясовано, що коли A приєднати до B і вони опиняться в тепловій рівновазі, а B приєднати до C, що також опиняться в тепловій рівновазі, то коли потім приєднати C до A, ми завжди спостерігатимемо, що вони перебувають у тепловій рівновазі. Це досить банальне спостереження розкриває суть нульового закону термодинаміки:

якщо A перебуває в тепловій рівновазі з B, а B перебуває в тепловій рівновазі з C, то C буде в тепловій рівновазі з A.

З нульового закону випливає, що так само як тиск виступає фізичною властивістю, яка дозволяє нам передбачити, коли системи (попри їхній склад і розмір) опиняться в механічній рівновазі під час з’єднання, так само є властивість, що дозволяє нам передбачити, коли дві системи (попри їхній склад і розмір) опиняться в термічній рівновазі. Цю універсальну властивість ми називаємо температурою. Тепер ми можемо узагальнити твердження про взаємну теплову рівновагу трьох систем, просто сказавши, що всі вони мають однакову температуру.

Ми ще не стверджуємо, ніби точно знаємо, що таке температура. Ми лише визнаємо, що нульовий закон передбачає наявність критерію теплової рівноваги – якщо температури двох систем однакові, то, бувши зістиковані через діатермічні стінки, вони опиняться в тепловій рівновазі, а спостерігач захоплено зазначить, що в системах нічого не змінюється.

Тепер ми можемо додати ще два поняття до термінологічного словника термодинаміки. Жорсткі стінки, що дозволяють змінювати стан закритих систем під час їхнього контакту (тобто мовою другого розділу – дозволяють проводити тепло), називають діатермічними (від грецьких слів «через» і «тепло»). Зазвичай діатермічні стінки виготовляють із металу, але цю функцію може виконувати будь-який провідний матеріал. Каструлі – це діатермічні посудини. Якщо не відбувається ніяких змін, то або температури однакові, або – якщо ми знаємо, що вони різні,– стінки можна класифікувати як адіабатні («непроникні»). Ми можемо припустити, що стінки адіабатні, коли вони теплоізольовані, як-от у термосі, або коли система вмонтована в пінополістирол.

Нульовий закон закладає основу для створення термометра, приладу для вимірювання температури. Термометр – це лише окремий випадок конфігурації системи B, про яку ми розповідали раніше. Це система з властивістю, що може змінюватися в разі взаємодії із системою з діатермічними стінками. У типовому термометрі використовують термічне розширення ртуті або зміну електричних властивостей матеріалу. Отже, якщо показники системи B («термометр») не зміняться після теплового контакту із системою A, а також і після теплового контакту із системою C, то ми зможемо стверджувати, що системи A і C мають однакову температуру.

Є кілька температурних шкал. Спосіб їх впровадження – це принципово сфера другого закону (див. розділ 3). А втім, допоки ми не дійдемо до третього розділу, нам буде доволі обтяжливо не посилатися на ці шкали, хоча формально це можна зробити, адже шкали Цельсія (стоградусна шкала)