La termodinamica è una branca della fisica che si occupa dell’energia e del lavoro di un sistema. Le interazioni dei gas su piccola scala sono descritte dalla teoria cinetica dei gas. Ci sono tre leggi principali della termodinamica che sono descritte in diapositive separate. Ogni legge porta alla definizione di proprietà termodinamiche che ci aiutano a capire e prevedere il funzionamento di un sistema fisico. Presenteremo alcuni semplici esempi di queste leggi e proprietà per una varietà di sistemi fisici, anche se siamo più interessati alla termodinamica dei sistemi di propulsione e dei flussi ad alta velocità. Sfortunatamente, il sistema di numerazione per le tre leggi della termodinamica è un po’ confuso. Webegin con la legge zeroth.

La legge zeroth della termodinamica inizia con una semplice definizione di equilibrio termodinamico. Si osserva che alcune proprietà di un oggetto, come la pressione in un volume di gas, la lunghezza di una barra di metallo, o la conduttività elettrica di un filo, possono cambiare quando l’oggetto viene riscaldato o raffreddato. Se due di questi oggetti vengono messi in contatto fisico, inizialmente c’è un cambiamento nella proprietà di entrambi gli oggetti. Ma, alla fine, il cambiamento nelle proprietà si ferma e gli oggetti sono detti in equilibrio termico, o termodinamico. L’equilibrio termodinamico porta alla definizione su larga scala della temperatura. Quando due oggetti sono in equilibrio termico si dice che hanno la stessa temperatura. Durante il processo di raggiungimento dell’equilibrio termico, il calore, che è una forma di energia, viene trasferito tra gli oggetti. I dettagli del processo di raggiungimento dell’equilibrio termico sono descritti nella prima e seconda legge della termodinamica.

La legge zero della termodinamica è un’osservazione. Quando due oggetti sono separatamente in equilibrio termodinamico con un terzo oggetto, sono in disequilibrio tra loro.Come illustrazione, supponiamo di avere tre oggetti come mostrato nella diapositiva. L’oggetto #1 e l’oggetto #2 sono in contatto fisico e in equilibrio termico. L’oggetto #2 è anche in equilibrio termico con l’oggetto #3. Inizialmente non c’è contatto fisico tra l’oggetto #1 e l’oggetto #3. Ma, se l’oggetto #1 e l’oggetto #3 vengono messi in contatto, si osserva che sono in equilibrio termico. Questa semplice osservazione ci permette di creare un termometro. Possiamo calibrare il cambiamento di una proprietà termica, come la lunghezza di una colonna di mercurio, mettendo il termometro in equilibrio termico con un sistema fisico noto in diversi punti di riferimento.Se poi portiamo il termometro in equilibrio termico con qualsiasi altro sistema, come il fondo della lingua, possiamo determinare la temperatura dell’altro sistema notando il cambiamento della proprietà termica.Gli oggetti in equilibrio termodinamico hanno la stessa temperatura.

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