Termodynamiikan zeroth-lain mukaan jos kaksi kappaletta on kumpikin termisessä tasapainossa jonkin kolmannen kappaleen kanssa, ne ovat myös keskenään tasapainossa. Lämpötasapaino tarkoittaa sitä, että kun kaksi kappaletta saatetaan kosketuksiin toistensa kanssa ja ne erotetaan toisistaan lämpöä läpäisevällä esteellä, lämpöä ei siirry toisesta toiseen.
Tämähän tarkoittaa pohjimmiltaan sitä, että kaikki kolme kappaletta ovat samassa lämpötilassa. James Clerk Maxwell ilmaisi tämän ehkä yksinkertaisemmin sanoessaan: ”Kaikki lämpö on samanlaista”. Tärkeintä on, että Zerothin laki vahvistaa, että lämpötila on aineen perustavanlaatuinen ja mitattavissa oleva ominaisuus.
Historia
Kun termodynamiikan lait alun perin laadittiin, niitä oli vain kolme. 1700-luvun alussa tiedemiehet kuitenkin tajusivat, että tarvittiin vielä yksi laki täydentämään joukkoa. Tämä uusi laki, joka esitti lämpötilan muodollisen määritelmän, syrjäytti kuitenkin itse asiassa kolme olemassa olevaa lakia, ja sen pitäisi oikeutetusti olla luettelon kärjessä. Tämä aiheutti dilemman: alkuperäiset kolme lakia tunnettiin jo hyvin niille annettujen numeroiden perusteella, ja niiden uudelleen numerointi aiheuttaisi ristiriidan olemassa olevan kirjallisuuden kanssa ja huomattavaa sekaannusta. Vaihtoehto, jossa tätä uutta lakia kutsuttaisiin neljänneksi laiksi ja se asetettaisiin luettelon viimeiseksi, oli myös ongelmallinen, koska se syrjäytti kolme muuta lakia. Eräs tiedemies, Ralph H. Fowler, keksi kolmannen vaihtoehdon, joka ratkaisi dilemman: hän kutsui uutta lakia ”nollalailla”. (Mielenkiintoista on, että tieteiskirjailija Isaac Asimov omaksui idean nollalain käytöstä vuonna 1994 ilmestyneessä romaanissaan ”Robotit ja imperiumi”, kun hän huomasi, että robotiikan kolmeen lakiin piti lisätä uusi laki, joka syrjäyttäisi ensimmäisen lain.)
Missouri Southern State Universityn fysiikan professorin David McKeen mukaan nollalaki ”kertoo meille, että riippumatta siitä, kuinka paljon energiaa kahdella systeemillä on, se, että tiedän, kuinka paljon energiaa niillä on, ei anna minun ennustaa, mihin suuntaan lämpö virtaa, jos laitan ne kosketuksiin toistensa kanssa”. Zerothin laki sanoo, että tämä luku, joka on lämpötila, määrittelee lämpövirran suunnan, eikä se riipu suoraan mukana olevan energian määrästä.”
Hän jatkoi: ”Kahden systeemin lämpötila on ainoa asia, joka sinun tarvitsee tietää, jotta voit määrittää, mihin suuntaan lämpö virtaa niiden välillä.”
Lämpömittarit
Jopa yksinkertaisimmat yksisoluiset kasvit ja eläimet reagoivat lämpötilan muutoksiin. Käsitteet kuuma ja kylmä sekä ”kuumempi kuin” ja ”kylmempi kuin” ovat juurtuneet fysiologiaamme. Kykymme välittää näitä käsitteitä vaati kuitenkin jonkinlaisen vertailustandardin. Yksi ensimmäisistä standardeista, jota käytetään vielä tänäkin päivänä, on veden jäätymis- ja kiehumispiste. Ongelmana oli kuitenkin se, miten lämpötiloja voitaisiin kuvata riittävän tarkasti, jotta ne olisivat käyttökelpoisia. Tämä edellytti toistettavaa mittausmenetelmää portaittaisella asteikolla.
Termodynamiikan nollalaki määrittelee lämpötilan ja mahdollistaa lämpömittarit. Jotta lämpömittari olisi hyödyllinen, se on kuitenkin ensin kalibroitava. Kaikki muut perusmittayksiköt, esim. pituuden, massan, ajan jne. mittayksiköt, määritellään kukin tarkan standardin mukaan. Tässä tapauksessa on määriteltävä paitsi mittayksikkö myös asteikon alkupiste.
Lämpötilan mittaamisen standardisoimiseksi tehdyistä varhaisista ponnisteluista huomattavimpia olivat Daniel Gabriel Fahrenheitin pyrkimykset. Fahrenheit keksi 1700-luvun alussa tutut lasiputkityyppiset lämpömittarit, joissa käytettiin sekä alkoholia että elohopeaa. Hän keksi myös Fahrenheit-asteikon, jossa veden jäätymis- ja kiehumispisteiksi asetetaan 32 astetta ja 212 astetta, ja jota käytetään yhä tänä päivänä erityisesti Yhdysvalloissa. Suurin osa muusta maailmasta käyttää Celsius-asteikkoa, jossa veden jäätymispisteen arvoksi annetaan 0 astetta ja kiehumispisteen arvoksi 100 astetta keskimääräisellä merenpinnan tasolla.
Kaikki tieteessä ja tekniikassa käytettävät mitta-asteikot alkavat nollasta. Pituuden, massan tai ajan nollan käsite on suhteellisen helppo käsittää; nollalämpötila eli absoluuttinen nolla, jossa ei ole lainkaan lämpöenergiaa, on kuitenkin hieman vaikeampi käsittää. Tämä johtuu siitä, että tällaista lämpötilaa ei ole koskaan havaittu luonnossa tai laboratoriossa, ja yleisesti uskotaan, ettei sitä koskaan tulla havaitsemaankaan; tutkijat ovat kuitenkin päässeet melko lähelle.
Termodynaamisen lämpötilan yksikkö on kelvin (K), ja se määritellään veden kolmoispisteen mukaan, joka on 0,01 astetta C eli 32,01 astetta F. Kolmoispiste määritellään ”tietyksi lämpötilaksi ja paineeksi, jossa tietyn aineen kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset faasit ovat kaikki tasapainossa keskenään”. Se valittiin standardiksi pitkälti siksi, että se voidaan helposti toistaa tarkasti laboratoriossa, kun taas veden jäätymispisteen lämpötilaan voivat vaikuttaa monet sekoittavat muuttujat. National Institute of Standards and Technology määrittelee kelvinin ”murto-osaksi 1/273,16 veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta”. Yksinkertaisemmin sanottuna veden kolmoispisteelle annetaan arvo 273,16 K.
Useimmat lämpömittarit sisältävät nestettä tai metallia, joka muuttaa tilavuuttaan tai muotoaan lämpötilan mukaan. Kun neste tai metalli saavuttaa lämpötasapainon mitattavan esineen tai aineen kanssa, lämpömittarin materiaalin lämpötilaherkkää ominaisuutta voidaan tällöin hyödyntää sen lämpötilan osoittamiseksi.
Tietyissä lämpömittareissa käytetään esimerkiksi nestettä, tyypillisesti alkoholia tai elohopeaa, joka laajenee tai supistuu lämpötilan noustessa tai laskiessa. Tätä pientä laajenemista voimistetaan siten, että suhteellisen suuri nestesäiliö on lasipullossa, joka on liitetty pitkään ja hyvin kapeaan lasiputkeen. Tällä tavoin pieni muutos polttimossa olevan nesteen tilavuudessa voi aiheuttaa suuren muutoksen putkessa olevan nesteen korkeudessa, jolloin lämpötila voidaan määrittää lukemalla nesteen korkeus kalibroitua asteikkoa vasten.
Toinen lämpömittarityyppi perustuu metallin lämpölaajenemiseen. Ongelmana on jälleen se, miten hyvin pieni muutos suurennetaan niin, että se voidaan lukea asteikolta. Yksi tapa on käyttää kelaa, jossa on monta silmukkaa, jolloin pieni muutos pituudessa kerrotaan silmukoiden lukumäärällä. Toisessa menetelmässä hyödynnetään sitä, että eri metallit laajenevat eri nopeudella kuumentuessaan. Kahden eri metallin, joilla on erilaiset laajenemiskertoimet, kaistaleet voidaan laminoida yhteen niin, että kokoonpano käpristyy, kun sitä lämmitetään. Tämä taipuma voi liikuttaa neulaa, joka voidaan lukea asteikkoa vasten.
Toinen menetelmä lämpötilan mittaamiseksi perustuu lämpötilaherkkien orgaanisten materiaalien värimuutoksiin. Nämä ovat tyypillisesti käyttökelpoisia vain rajoitettujen lämpötila-alueiden mittaamiseen, kuten kuumeen ilmaisemiseen tai huonelämpötilan seuraamiseen. Toinen laite, jota kutsutaan termistoriksi, toimii puolijohdemateriaalin sähköisen resistiivisyyden muutosten perusteella, jotka johtuvat sen lämpötilasta. Nämä laitteet voivat havaita erittäin pieniä lämpötilan muutoksia, ja niitä käytetään bolometreissä ja laboratoriokokeiden valvonnassa. Mitkään mittaukset eivät kuitenkaan olisi mahdollisia ilman, että ne perustuisivat Zerothin laissa kuvattuun periaatteeseen.