La Ley Zeroth de la Termodinámica establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces también están en equilibrio entre ellos. El equilibrio térmico significa que cuando dos cuerpos se ponen en contacto y están separados por una barrera permeable al calor, no habrá transferencia de calor de uno a otro.
Esto dice en esencia que los tres cuerpos tienen la misma temperatura. James Clerk Maxwell lo expresó de forma quizá más sencilla cuando dijo: «Todo el calor es del mismo tipo». Lo más importante es que la Ley Zeroth establece que la temperatura es una propiedad fundamental y medible de la materia.
Historia
Cuando se establecieron originalmente las leyes de la termodinámica, sólo había tres. Sin embargo, a principios del siglo XVIII, los científicos se dieron cuenta de que era necesaria otra ley para completar el conjunto. Sin embargo, esta nueva ley, que presentaba una definición formal de la temperatura, sustituía en realidad a las tres leyes existentes y debía estar legítimamente a la cabeza de la lista. Esto creaba un dilema: las tres leyes originales ya eran bien conocidas por sus números asignados, y renumerarlas crearía un conflicto con la literatura existente y causaría una considerable confusión. La alternativa, llamar a esta nueva ley la Cuarta Ley y ponerla en último lugar de la lista, también era problemática porque sustituía a las otras tres leyes. Un científico, Ralph H. Fowler, propuso una tercera alternativa que resolvía el dilema: llamó a la nueva ley «Ley Zeroth». (Curiosamente, el escritor de ciencia ficción Isaac Asimov se apropió de la idea de una Ley Zeroth en su novela de 1994 «Robots y el Imperio» cuando encontró que necesitaba añadir una nueva ley a las Tres Leyes de la Robótica que sustituyera a la Primera Ley.)
Según David McKee, profesor de física de la Missouri Southern State University, la Ley Zeroth «nos dice que no importa cuánta energía tengan dos sistemas, saber cuánta energía tienen no me permite predecir en qué dirección fluirá el calor si los pongo en contacto. La Ley Zeroth dice que este número, que es la temperatura, define la dirección del flujo de calor, y no depende directamente de la cantidad de energía que está involucrada.»
Continuó: «La temperatura de dos sistemas es lo único que se necesita saber para determinar en qué dirección fluirá el calor entre ellos.»
Termómetros
Incluso las plantas y animales unicelulares más simples responden a los cambios de temperatura. Los conceptos de frío y calor, así como de «más caliente que» y «más frío que» están arraigados en nuestra fisiología. Sin embargo, nuestra capacidad para comunicar este concepto requería algún estándar de comparación. Uno de los primeros estándares, que todavía se utiliza hoy en día, utiliza los puntos de congelación y ebullición del agua. El problema, sin embargo, era cómo describir las temperaturas con suficiente precisión para que fueran útiles. Esto requería un método repetible de medición en una escala incremental.
La Ley Zeroth de la Termodinámica define la temperatura y hace posible los termómetros. Sin embargo, para que un termómetro sea útil, primero debe ser calibrado. Todas las demás unidades de medida básicas, por ejemplo, la longitud, la masa, el tiempo, etc., se definen de acuerdo con una norma precisa. En este caso, no sólo hay que definir una unidad de medida, sino también el punto inicial de la escala.
Los primeros esfuerzos más notables para estandarizar la medición de la temperatura fueron los de Daniel Gabriel Fahrenheit. A principios del siglo XVIII, Fahrenheit inventó los conocidos termómetros de tubo de vidrio que utilizan alcohol y mercurio. También inventó la escala Fahrenheit, que fija los puntos de congelación y ebullición del agua en 32 y 212 grados, respectivamente, y que se sigue utilizando hoy en día, sobre todo en Estados Unidos. La mayor parte del resto del mundo utiliza la escala Celsius, que asigna valores de 0 grados para el punto de congelación del agua y de 100 grados para su punto de ebullición al nivel medio del mar.
Todas las escalas de medición utilizadas en ciencia e ingeniería parten de un valor cero. El concepto de longitud, masa o tiempo cero es relativamente fácil de entender; sin embargo, la temperatura cero, o el cero absoluto, donde no hay absolutamente ninguna energía térmica, es un poco más difícil de entender. Esto se debe a que dicha temperatura nunca se ha observado en la naturaleza o en el laboratorio, y generalmente se cree que nunca se observará; sin embargo, los científicos se han acercado bastante.
La unidad para la temperatura termodinámica es el kelvin (K) y se define de acuerdo con el punto triple del agua, que es igual a 0,01 grados C o 32,01 grados F. El punto triple se define como «la temperatura y la presión particulares a las que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia dada están todas en equilibrio entre sí». Se eligió como estándar en gran medida porque puede reproducirse fácilmente con precisión en un laboratorio, mientras que la temperatura del punto de congelación del agua puede verse afectada por una serie de variables confusas. El Instituto Nacional de Normas y Tecnología define el kelvin como «la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua». Más sencillamente, al punto triple del agua se le asigna un valor de 273,16 K.
La mayoría de los termómetros contienen líquido o metal que cambia de volumen o forma en función de su temperatura. Cuando el líquido o el metal alcanza el equilibrio térmico con el objeto o la sustancia que se está midiendo, la propiedad sensible a la temperatura del material del termómetro puede entonces aprovecharse para indicar su temperatura.
Por ejemplo, algunos tipos de termómetros utilizan un líquido, típicamente alcohol o mercurio, que se expande o contrae al aumentar o disminuir la temperatura. Esta pequeña expansión se amplifica al tener un depósito relativamente grande de líquido en un bulbo de vidrio conectado a un tubo de vidrio largo y muy estrecho. De este modo, un pequeño cambio en el volumen del líquido en el bulbo puede causar un gran cambio en el nivel del líquido en el tubo, de modo que la temperatura puede determinarse leyendo la altura del líquido contra una escala calibrada.
Otro tipo de termómetro se basa en la expansión térmica del metal. De nuevo, el problema es cómo amplificar un cambio de tamaño muy pequeño para que pueda leerse en una escala. Una forma es utilizar una bobina con muchas espiras, de modo que un ligero cambio de longitud se multiplica por el número de espiras. Otro tipo aprovecha el hecho de que los diferentes metales se expanden a diferentes velocidades cuando se calientan. Se pueden laminar juntas tiras de dos metales diferentes con distintos coeficientes de dilatación para que el conjunto se curve al calentarse. Esta desviación puede mover una aguja que se puede leer contra una escala.
Otro método para medir la temperatura se basa en los cambios de color de los materiales orgánicos sensibles a la temperatura. Estos suelen ser útiles sólo para medir rangos de temperatura limitados, como indicar la fiebre o controlar la temperatura ambiente. Otro dispositivo, llamado termistor, funciona basándose en los cambios en la resistividad eléctrica de un material semiconductor debido a su temperatura. Estos dispositivos pueden detectar cambios de temperatura extremadamente pequeños y se utilizan en bolómetros y para controlar experimentos de laboratorio. Sin embargo, ninguna medición sería posible sin basarse en el principio descrito en la Ley Zeroth.