Suhu dan Hukum ke Nol Termodinamika

Kita sering mengasosiasikan konsep suhu dengan seberapa panas atau dingin suatu benda terasa ketika kita menyentuhnya. Dengan cara ini, indra kita memberikan kita dengan indikasi kualitatif suhu. Indera kita, bagaimanapun, tidak dapat diandalkan dan sering menyesatkan kita. Misalnya, jika Anda berdiri dengan kaki telanjang dengan satu kaki di karpet dan lainnya di lantai ubin yang berdekatan, ubin terasa lebih dingin daripada karpet meskipun keduanya berada pada suhu yang sama. Kedua benda terasa berbeda karena ubin mentransfer energi dengan panas pada tingkatan yang lebih tinggi daripada karpet. Kulit Anda "mengukur" laju perpindahan energi panas daripada suhu aktual. Apa yang kita butuhkan adalah metode yang dapat diandalkan dan diperoleh untuk mengukur panas relatif atau dinginnya benda daripada laju transfer energi. Para ilmuwan telah mengembangkan berbagai termometer untuk membuat pengukuran kuantitatif tersebut.

Dua objek pada suhu awal yang berbeda akhirnya mencapai beberapa temperatur perantara ketika ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain. Misalnya, ketika air panas dan air dingin dicampur dalam bak mandi, energi ditransfer dari air panas ke air dingin dan suhu akhir campuran adalah suatu tempat antara suhu panas awal dan dingin.

Bayangkan bahwa dua benda ditempatkan dalam wadah terisolasi sehingga mereka berinteraksi satu sama lain tetapi tidak dengan lingkungan. Jika benda berada pada temperatur yang berbeda, energi yang ditransfer antara mereka, bahkan jika mereka awalnya tidak dalam kontak fisik dengan satu sama lain. Mekanisme transfer energi dari Bab 8 bahwa kita akan fokus pada panas dan radiasi elektromagnetik. Untuk tujuan diskusi ini, mari kita asumsikan dua benda berada dalam kontak termal dengan satu sama lain jika energi dapat dipertukarkan antara mereka dengan proses-proses karena perbedaan suhu. Kesetimbangan termal adalah situasi di mana dua benda tidak akan bertukar energi dengan panas atau radiasi elektromagnetik jika mereka ditempatkan dalam kontak termal. 

Mari kita mempertimbangkan dua benda A dan B, yang tidak dalam kontak termal, dan objek ketiga C, yaitu termometer kita. Kita ingin menentukan apakah A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Termometer (objek C) pertama kali ditempatkan dalam kontak termal dengan objek A sampai kesetimbangan termal adalah dicapai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1a. Sejak saat itu, pembacaan termometer tetap konstan dan kita mencatat hasil bacaan ini. Termometer tersebut kemudian dihilangkan dari objek A dan ditempatkan dalam kontak termal dengan objek B seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1b. Bacaan tersebut kembali dicatat setelah keseimbangan termal tercapai. Jika dua bacaan yang sama, kita dapat menyimpulkan bahwa objek A dan benda B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Jika mereka ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain seperti pada Gambar 19.1c, tidak ada pertukaran energi antara mereka.

Kita dapat meringkas hasil ini dalam sebuah pernyataan yang dikenal sebagai Hukum ke nol termodinamika (hukum keseimbangan):

Jika benda A dan B terpisah dalam kesetimbangan termal dengan benda C ketiga, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

Pernyataan ini dapat dengan mudah dibuktikan secara eksperimental dan sangat penting karena memungkinkan kita untuk menentukan suhu. Kita bisa memikirkan temperatur sebagai properti yang menentukan apakah sebuah benda dalam kesetimbangan termal dengan obyek lain. Dua benda dalam kesetimbangan termal dengan satu sama lain pada temperatur yang sama. Sebaliknya, jika dua benda memiliki temperatur yang berbeda, mereka tidak dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Kita sekarang tahu bahwa suhu adalah sesuatu yang menentukan apakah atau tidak akan mentransfer energi antara dua benda dalam kontak termal. Dalam Bab 21, kita akan menghubungkan suhu ke perilaku mekanik molekul (Serway,2010: 543-546).