Zerotův termodynamický zákon říká, že pokud jsou dvě tělesa každé v tepelné rovnováze s nějakým třetím tělesem, pak jsou v rovnováze i mezi sebou navzájem. Tepelná rovnováha znamená, že pokud se dvě tělesa dostanou do vzájemného kontaktu a jsou od sebe oddělena bariérou, která je propustná pro teplo, nedojde k přenosu tepla z jednoho na druhé.
To v podstatě říká, že všechna tři tělesa mají stejnou teplotu. James Clerk Maxwell to vyjádřil možná ještě jednodušeji, když řekl: „Veškeré teplo je stejného druhu“. Nejdůležitější je, že Zerothův zákon stanoví, že teplota je základní a měřitelnou vlastností hmoty.
Historie
Když byly původně stanoveny termodynamické zákony, existovaly pouze tři. Na počátku 18. století si však vědci uvědomili, že je třeba doplnit soubor o další zákon. Tento nový zákon, který představoval formální definici teploty, však ve skutečnosti nahradil tři stávající zákony a právem by měl stát v čele seznamu. Vzniklo tak dilema: původní tři zákony byly již dobře známé pod přidělenými čísly a jejich přečíslování by způsobilo konflikt se stávající literaturou a značný zmatek. Alternativní možnost, nazvat tento nový zákon čtvrtým zákonem a zařadit jej na poslední místo v seznamu, byla rovněž problematická, protože nahrazovala ostatní tři zákony. Jeden z vědců, Ralph H. Fowler, přišel s třetí alternativou, která dilema vyřešila: nový zákon nazval „Zeroth Law“. (Zajímavé je, že spisovatel science fiction Isaac Asimov si myšlenku na Zerothův zákon přivlastnil ve svém románu „Roboti a říše“ z roku 1994, když zjistil, že potřebuje ke třem zákonům robotiky přidat nový zákon, který by nahradil první zákon.)
Podle Davida McKeeho, profesora fyziky na Jižní státní univerzitě v Missouri, Zerothův zákon „říká, že bez ohledu na to, kolik energie mají dva systémy, mi znalost toho, kolik energie mají, neumožňuje předpovědět, kterým směrem bude teplo proudit, pokud je dám do vzájemného kontaktu. Zerothův zákon říká, že toto číslo, kterým je teplota, určuje směr toku tepla a není přímo závislé na množství energie, o kterou se jedná.“
Pokračoval: „Teplota dvou soustav je jediná věc, kterou potřebujete znát, abyste určili, kterým směrem mezi nimi bude teplo proudit.“
Teploměry
Na změny teploty reagují i nejjednodušší jednobuněčné rostliny a živočichové. Pojmy teplo a chlad, stejně jako „teplejší než“ a „studenější než“ jsou zakořeněny v naší fyziologii. Naše schopnost sdělovat tyto pojmy však vyžadovala určitý standard pro porovnávání. Jedním z prvních měřítek, které se používá dodnes, je bod mrznutí a bod varu vody. Problémem však bylo, jak popsat teploty s dostatečnou přesností, aby byly užitečné. To vyžadovalo opakovatelnou metodu měření na přírůstkové stupnici.
Zerothův termodynamický zákon definuje teplotu a umožňuje použití teploměrů. Aby však byl teploměr užitečný, musí být nejprve kalibrován. Všechny ostatní základní měrné jednotky, např. pro délku, hmotnost, čas atd. jsou každá definována podle přesného standardu. V tomto případě musíme definovat nejen měrnou jednotku, ale také počáteční bod stupnice.
Mezi nejvýznamnější rané snahy o standardizaci měření teploty patří snahy Daniela Gabriela Fahrenheita. Na počátku 18. století Fahrenheit vynalezl známé teploměry se skleněnou trubicí používající alkohol i rtuť. Vynalezl také Fahrenheitovu stupnici, která stanovuje bod tuhnutí vody na 32 stupňů a bod varu na 212 stupňů a která se dodnes používá zejména ve Spojených státech. Většina ostatních zemí světa používá Celsiovu stupnici, která pro bod mrznutí vody určuje hodnoty 0 stupňů a pro bod varu 100 stupňů při střední hladině moře.
Všechny měřící stupnice používané ve vědě a technice začínají hodnotou nula. Pojem nulové délky, hmotnosti nebo času je poměrně snadno uchopitelný, nicméně nulová teplota neboli absolutní nula, kdy neexistuje absolutně žádná tepelná energie, je poněkud obtížnější na pochopení. Je to proto, že taková teplota nebyla v přírodě ani v laboratoři nikdy pozorována a obecně se má za to, že ani nikdy pozorována nebude; vědci se jí však již docela přiblížili.
Jednotkou termodynamické teploty je kelvin (K) a je definována podle trojného bodu vody, který se rovná 0,01 stupňů C neboli 32,01 stupňů F. Trojný bod je definován jako „konkrétní teplota a tlak, při nichž jsou pevná, kapalná a plynná fáze dané látky ve vzájemné rovnováze“. Jako standard byl zvolen především proto, že jej lze snadno přesně reprodukovat v laboratoři, zatímco teplota bodu tuhnutí vody může být ovlivněna řadou matoucích proměnných. Národní institut pro standardy a technologie definuje kelvin jako „zlomek 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody“. Jednodušeji řečeno, trojnému bodu vody je přiřazena hodnota 273,16 K.
Většina teploměrů obsahuje kapalinu nebo kov, který mění objem nebo tvar v závislosti na teplotě. Když kapalina nebo kov dosáhne tepelné rovnováhy s měřeným předmětem nebo látkou, lze pak využít teplotně citlivé vlastnosti materiálu v teploměru k indikaci jeho teploty.
Například některé typy teploměrů používají kapalinu, obvykle alkohol nebo rtuť, která se s rostoucí nebo klesající teplotou rozpíná nebo smršťuje. Tato malá roztažnost je zesílena tím, že ve skleněné baňce je poměrně velký zásobník kapaliny spojený s dlouhou a velmi úzkou skleněnou trubicí. Tímto způsobem může malá změna objemu kapaliny v baňce způsobit velkou změnu hladiny kapaliny v trubici, takže teplotu lze určit odečtením výšky kapaliny na kalibrované stupnici.
Další typ teploměru je založen na tepelné roztažnosti kovu. Problém opět spočívá v tom, jak zesílit velmi malou změnu velikosti tak, aby ji bylo možné odečíst na stupnici. Jedním ze způsobů je použití cívky s mnoha smyčkami, takže nepatrná změna délky se násobí počtem smyček. Jiný typ využívá skutečnosti, že různé kovy se při zahřátí rozpínají různou rychlostí. Pásy dvou různých kovů s různými koeficienty roztažnosti lze laminovat dohromady tak, aby se sestava při zahřívání stáčela. Toto prohnutí může posunout jehlu, kterou lze odečíst na stupnici.
Další metoda měření teploty spočívá v barevných změnách organických materiálů citlivých na teplotu. Ty jsou obvykle užitečné pouze pro měření omezeného rozsahu teplot, například pro indikaci horečky nebo sledování pokojové teploty. Jiné zařízení, nazývané termistor, pracuje na základě změn elektrického odporu polovodičového materiálu v důsledku jeho teploty. Tato zařízení mohou detekovat velmi malé změny teploty a používají se v bolometrech a k monitorování laboratorních experimentů. Žádné měření by však nebylo možné, kdyby se neopíralo o princip popsaný v Zerotově zákoně.