Termodynamikkens nulpunktslov siger, at hvis to legemer hver især er i termisk ligevægt med et tredje legeme, så er de også i ligevægt med hinanden. Termisk ligevægt betyder, at når to legemer bringes i kontakt med hinanden og adskilles af en barriere, der er gennemtrængelig for varme, vil der ikke ske nogen overførsel af varme fra det ene til det andet.
Dette siger i bund og grund, at de tre legemer alle har samme temperatur. James Clerk Maxwell udtrykte dette måske mere enkelt, da han sagde: “Al varme er af samme art”. Det vigtigste er, at nulpunktsloven fastslår, at temperatur er en grundlæggende og målbar egenskab ved stof.
Historie
Da termodynamikkens love oprindeligt blev opstillet, var der kun tre. I begyndelsen af det 18. århundrede indså videnskabsfolk dog, at der var brug for endnu en lov for at fuldende sættet. Denne nye lov, som præsenterede en formel definition af temperatur, erstattede imidlertid faktisk de tre eksisterende love og burde retmæssigt stå øverst på listen. Dette skabte et dilemma: de oprindelige tre love var allerede velkendte under deres tildelte numre, og en omnummerering af dem ville skabe en konflikt med den eksisterende litteratur og skabe betydelig forvirring. Alternativet, som gik ud på at kalde denne nye lov for den fjerde lov og sætte den sidst på listen, var også problematisk, fordi den erstattede de tre andre love. En videnskabsmand, Ralph H. Fowler, kom med et tredje alternativ, som løste dilemmaet: han kaldte den nye lov for “Zeroth Law”. (Det er interessant, at science fiction-forfatteren Isaac Asimov tilegnede sig ideen om en Zeroth Law i sin roman “Robots and Empire” fra 1994, da han fandt, at der var behov for at tilføje en ny lov til Robotics Three Laws of Robotics, der erstattede den første lov.)
Ifølge David McKee, professor i fysik ved Missouri Southern State University, fortæller Zeroth-loven “os, at uanset hvor meget energi to systemer har, kan jeg ikke forudsige, i hvilken retning varmen vil strømme, hvis jeg sætter dem i kontakt med hinanden, når jeg ved, hvor meget energi de har, og jeg kan ikke forudsige, i hvilken retning varmen vil strømme, hvis jeg sætter dem i kontakt med hinanden. Zeroth-loven siger, at dette tal, som er temperaturen, definerer retningen af varmestrømmen, og det afhænger ikke direkte af mængden af energi, der er involveret.”
Han fortsatte: “Temperaturen i to systemer er det eneste, man behøver at vide for at kunne bestemme, i hvilken retning varmen vil strømme mellem dem.”
Termometre
Selv de simpleste encellede planter og dyr reagerer på temperaturændringer. Begreberne “varmt” og “koldt” samt “varmere end” og “koldere end” er indgroet i vores fysiologi. Vores evne til at kommunikere dette begreb krævede imidlertid en standard til sammenligning. En af de første standarder, som stadig anvendes den dag i dag, er vands fryse- og kogepunkt. Problemet var imidlertid, hvordan man kunne beskrive temperaturer med tilstrækkelig præcision til at være brugbare. Dette krævede en gentagelig metode til måling på en trinvis skala.
Termodynamikkens nulpunktslov definerer temperaturen og gør termometre mulige. For at et termometer kan være nyttigt, skal det dog først kalibreres. Alle andre grundlæggende måleenheder, f.eks. for længde, masse, tid osv. er hver især defineret i henhold til en præcis standard. I dette tilfælde skal vi ikke blot definere en måleenhed, men også skalaens begyndelsespunkt.
De mest bemærkelsesværdige tidlige bestræbelser på at standardisere temperaturmålingerne blev gjort af Daniel Gabriel Fahrenheit. I begyndelsen af det 18. århundrede opfandt Fahrenheit de velkendte termometre af glasrørstypen med både alkohol og kviksølv. Han opfandt også Fahrenheit-skalaen, som fastsætter vands fryse- og kogepunkt til henholdsvis 32 grader og 212 grader, og som stadig anvendes den dag i dag, især i USA. Det meste af resten af verden bruger Celsius-skalaen, som tildeler værdierne 0 grader for vands frysepunkt og 100 grader for dets kogepunkt ved middelhavets overflade.
Alle måleskalaer, der anvendes inden for videnskab og teknik, starter ved en værdi på nul. Begrebet nul længde, masse eller tid er relativt let at forstå; men nul temperatur, eller det absolutte nulpunkt, hvor der absolut ingen varmeenergi er overhovedet, er lidt vanskeligere at forstå. Det skyldes, at en sådan temperatur aldrig er blevet observeret i naturen eller i laboratoriet, og det er den almindelige opfattelse, at det aldrig vil ske, men forskerne er dog kommet ret tæt på.
Enheden for termodynamisk temperatur er kelvin (K) og er defineret i henhold til vands tripelpunkt, som er lig med 0,01 grader C eller 32,01 grader F. Tripelpunktet er defineret som “den særlige temperatur og det særlige tryk, hvor de faste, flydende og gasformige faser af et givet stof alle er i ligevægt med hinanden”. Det blev valgt som standard, hovedsagelig fordi det let kan reproduceres præcist i et laboratorium, hvorimod temperaturen for vands frysepunkt kan påvirkes af en række forvirrende variabler. National Institute of Standards and Technology definerer kelvin som “brøkdelen 1/273,16 af den termodynamiske temperatur for vands tripelpunkt”. Mere enkelt sagt tildeles vands tripelpunkt en værdi på 273,16 K.
De fleste termometre indeholder væske eller metal, der ændrer volumen eller form afhængigt af temperaturen. Når væsken eller metallet når termisk ligevægt med den genstand eller det stof, der måles, kan den temperaturfølsomme egenskab ved materialet i termometeret derefter udnyttes til at angive dets temperatur.
For eksempel anvender nogle typer termometre en væske, typisk alkohol eller kviksølv, som udvider sig eller trækker sig sammen ved stigende eller faldende temperatur. Denne lille udvidelse forstærkes ved at have et relativt stort reservoir af væske i en glaskolbe, der er forbundet med et langt og meget smalt glasrør. På denne måde kan en lille ændring i væskens volumen i pæren forårsage en stor ændring i væskens niveau i røret, således at temperaturen kan bestemmes ved at aflæse væskens højde på en kalibreret skala.
En anden type termometer er baseret på metals termiske ekspansion. Igen er problemet, hvordan man kan forstærke en meget lille ændring i størrelse, så den kan aflæses på en skala. En måde er at bruge en spole med mange sløjfer, så en lille ændring i længde ganges op med antallet af sløjfer. En anden type udnytter den kendsgerning, at forskellige metaller udvider sig forskelligt hurtigt, når de opvarmes. Strimler af to forskellige metaller med forskellige udvidelseskoefficienter kan lamineres sammen, således at samlingen krøller sig sammen, når den opvarmes. Denne udbøjning kan bevæge en nål, der kan aflæses på en skala.
En anden metode til måling af temperatur er baseret på farveændringer i temperaturfølsomme organiske materialer. Disse er typisk kun nyttige til måling af begrænsede temperaturområder, f.eks. til angivelse af feber eller overvågning af rumtemperatur. En anden anordning, en såkaldt termistor, fungerer på grundlag af ændringer i den elektriske resistivitet af et halvledende materiale som følge af dets temperatur. Disse anordninger kan registrere ekstremt små temperaturændringer og anvendes i bolometre og til at overvåge laboratorieforsøg. Ingen måling ville imidlertid være mulig uden at basere sig på det princip, der er beskrevet i den såkaldte nulpunktslov.