Der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass zwei Körper, die sich mit einem dritten Körper im thermischen Gleichgewicht befinden, auch miteinander im Gleichgewicht sind. Thermisches Gleichgewicht bedeutet, dass, wenn zwei Körper miteinander in Kontakt gebracht werden und durch eine wärmedurchlässige Barriere getrennt sind, keine Wärme von einem auf den anderen übertragen wird.
Dies besagt im Wesentlichen, dass die drei Körper alle die gleiche Temperatur haben. James Clerk Maxwell drückte dies vielleicht noch einfacher aus, als er sagte: „Alle Wärme ist von der gleichen Art.“ Das Wichtigste ist, dass der Nullte Hauptsatz festlegt, dass die Temperatur eine grundlegende und messbare Eigenschaft der Materie ist.
Geschichte
Als die Gesetze der Thermodynamik ursprünglich aufgestellt wurden, gab es nur drei. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts erkannten die Wissenschaftler jedoch, dass ein weiteres Gesetz erforderlich war, um die Reihe zu vervollständigen. Dieses neue Gesetz, das eine formale Definition der Temperatur enthielt, ersetzte jedoch die drei bestehenden Gesetze und sollte zu Recht an der Spitze der Liste stehen. Daraus ergab sich ein Dilemma: Die drei ursprünglichen Gesetze waren bereits unter den ihnen zugewiesenen Nummern bekannt, und eine Umnummerierung würde zu einem Konflikt mit der bestehenden Literatur führen und erhebliche Verwirrung stiften. Die Alternative, dieses neue Gesetz als viertes Gesetz zu bezeichnen und es an den letzten Platz der Liste zu setzen, war ebenfalls problematisch, da es die anderen drei Gesetze ablöste. Ein Wissenschaftler, Ralph H. Fowler, schlug eine dritte Alternative vor, die das Dilemma löste: Er nannte das neue Gesetz das „Zeroth Law“. (Interessanterweise übernahm der Science-Fiction-Autor Isaac Asimov die Idee des Nullten Gesetzes in seinem 1994 erschienenen Roman „Roboter und Imperium“, als er feststellte, dass er den Drei Gesetzen der Robotik ein neues Gesetz hinzufügen musste, das das Erste Gesetz ablöste.)
Laut David McKee, Physikprofessor an der Missouri Southern State University, besagt das Nullte Gesetz, „dass die Kenntnis der Energiemenge zweier Systeme keine Vorhersage darüber zulässt, in welche Richtung die Wärme fließen wird, wenn ich sie miteinander in Kontakt bringe, egal wie viel Energie sie haben. Das Nullte Gesetz besagt, dass diese Zahl, die Temperatur, die Richtung des Wärmeflusses bestimmt und nicht direkt von der Energiemenge abhängt.“
Er fuhr fort: „Die Temperatur zweier Systeme ist das Einzige, was man wissen muss, um zu bestimmen, in welche Richtung die Wärme zwischen ihnen fließen wird.“
Thermometer
Selbst die einfachsten einzelligen Pflanzen und Tiere reagieren auf Temperaturänderungen. Die Begriffe „heiß“ und „kalt“ sowie „heißer als“ und „kälter als“ sind in unserer Physiologie verankert. Unsere Fähigkeit, dieses Konzept zu kommunizieren, erforderte jedoch einen Vergleichsmaßstab. Einer der ersten Standards, der auch heute noch verwendet wird, ist der Gefrier- und Siedepunkt von Wasser. Das Problem bestand jedoch darin, die Temperaturen so genau zu beschreiben, dass sie nützlich sind. Dies erforderte eine wiederholbare Methode zur Messung auf einer inkrementellen Skala.
Der Nullte Hauptsatz der Thermodynamik definiert die Temperatur und macht Thermometer möglich. Damit ein Thermometer nützlich ist, muss es jedoch zunächst geeicht werden. Alle anderen grundlegenden Maßeinheiten, z.B. für Länge, Masse, Zeit usw., sind jeweils nach einem genauen Standard definiert. In diesem Fall müssen wir nicht nur eine Maßeinheit definieren, sondern auch den Anfangspunkt der Skala.
Die bemerkenswertesten frühen Bemühungen um eine Standardisierung der Temperaturmessung waren die von Daniel Gabriel Fahrenheit. Im frühen 18. Jahrhundert erfand Fahrenheit die bekannten Glasröhrenthermometer, die sowohl Alkohol als auch Quecksilber verwendeten. Er erfand auch die Fahrenheit-Skala, die den Gefrier- und den Siedepunkt von Wasser auf 32 bzw. 212 Grad festlegt und die bis heute verwendet wird, insbesondere in den Vereinigten Staaten. In den meisten anderen Ländern der Welt wird die Celsius-Skala verwendet, die für den Gefrierpunkt von Wasser einen Wert von 0 Grad und für den Siedepunkt von 100 Grad auf mittlerer Meereshöhe angibt.
Alle in Wissenschaft und Technik verwendeten Messskalen beginnen bei einem Wert von Null. Das Konzept der Länge, der Masse oder der Zeit Null ist relativ leicht zu begreifen; die Temperatur Null oder der absolute Nullpunkt, bei dem es absolut keine Wärmeenergie gibt, ist jedoch etwas schwieriger zu begreifen. Das liegt daran, dass eine solche Temperatur noch nie in der Natur oder im Labor beobachtet wurde, und es wird allgemein angenommen, dass dies auch nie der Fall sein wird; allerdings sind die Wissenschaftler diesem Wert schon recht nahe gekommen.
Die Einheit für die thermodynamische Temperatur ist das Kelvin (K) und wird anhand des Tripelpunkts von Wasser definiert, der 0,01 Grad C oder 32,01 Grad F entspricht. Der Tripelpunkt ist definiert als „die bestimmte Temperatur und der bestimmte Druck, bei denen die festen, flüssigen und gasförmigen Phasen einer bestimmten Substanz miteinander im Gleichgewicht sind“. Er wurde vor allem deshalb als Standard gewählt, weil er in einem Labor leicht und genau reproduziert werden kann, während die Temperatur des Gefrierpunkts von Wasser durch eine Reihe von Störfaktoren beeinflusst werden kann. Das National Institute of Standards and Technology definiert das Kelvin als „den Bruchteil 1/273,16 der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser“. Einfacher ausgedrückt, wird dem Tripelpunkt von Wasser ein Wert von 273,16 K zugewiesen.
Die meisten Thermometer enthalten eine Flüssigkeit oder ein Metall, das je nach Temperatur sein Volumen oder seine Form verändert. Wenn die Flüssigkeit oder das Metall ein thermisches Gleichgewicht mit dem zu messenden Gegenstand oder Stoff erreicht, kann die temperaturempfindliche Eigenschaft des Materials im Thermometer zur Anzeige der Temperatur ausgenutzt werden.
Einige Thermometertypen verwenden zum Beispiel eine Flüssigkeit, in der Regel Alkohol oder Quecksilber, die sich bei steigender oder fallender Temperatur ausdehnt oder zusammenzieht. Diese geringe Ausdehnung wird durch ein relativ großes Flüssigkeitsreservoir in einem Glaskolben verstärkt, der mit einem langen und sehr engen Glasrohr verbunden ist. Auf diese Weise kann eine kleine Änderung des Flüssigkeitsvolumens im Glaskolben eine große Änderung des Flüssigkeitsspiegels im Rohr bewirken, so dass die Temperatur durch Ablesen der Flüssigkeitshöhe an einer geeichten Skala bestimmt werden kann.
Eine andere Art von Thermometer basiert auf der Wärmeausdehnung von Metall. Auch hier besteht das Problem darin, eine sehr kleine Größenänderung so zu verstärken, dass sie auf einer Skala abgelesen werden kann. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Spule mit vielen Schleifen zu verwenden, so dass eine kleine Längenänderung mit der Anzahl der Schleifen multipliziert wird. Ein anderer Typ nutzt die Tatsache aus, dass sich verschiedene Metalle bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen. Streifen aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten können so zusammenlaminiert werden, dass sich das Ganze bei Erwärmung wölbt. Diese Durchbiegung kann eine Nadel bewegen, die an einer Skala abgelesen werden kann.
Eine andere Methode zur Temperaturmessung beruht auf Farbänderungen in temperaturempfindlichen organischen Materialien. Diese eignen sich in der Regel nur für die Messung begrenzter Temperaturbereiche, z. B. zur Anzeige von Fieber oder zur Überwachung der Raumtemperatur. Ein anderes Gerät, ein so genannter Thermistor, funktioniert auf der Grundlage von Änderungen des elektrischen Widerstands eines Halbleitermaterials in Abhängigkeit von seiner Temperatur. Diese Geräte können extrem kleine Temperaturänderungen feststellen und werden in Bolometern und zur Überwachung von Laborexperimenten eingesetzt. Allerdings wäre keine Messung möglich, ohne sich auf das im Zeroth Law beschriebene Prinzip zu stützen.