La loi zeroth de la thermodynamique stipule que si deux corps sont chacun en équilibre thermique avec un certain troisième corps, alors ils sont aussi en équilibre l’un avec l’autre. L’équilibre thermique signifie que lorsque deux corps sont mis en contact l’un avec l’autre et séparés par une barrière perméable à la chaleur, il n’y aura pas de transfert de chaleur de l’un à l’autre.
Cela dit en substance que les trois corps sont tous à la même température. James Clerk Maxwell l’a exprimé peut-être plus simplement en disant : « Toute la chaleur est de même nature ». Le plus important est que la loi zéro établit que la température est une propriété fondamentale et mesurable de la matière.
Histoire
Lorsque les lois de la thermodynamique ont été établies à l’origine, il n’y en avait que trois. Au début du 18e siècle, cependant, les scientifiques ont réalisé qu’une autre loi était nécessaire pour compléter l’ensemble. Cependant, cette nouvelle loi, qui présentait une définition formelle de la température, remplaçait en fait les trois lois existantes et devait à juste titre être en tête de la liste. Cela a créé un dilemme : les trois lois originales étaient déjà bien connues par les numéros qui leur avaient été attribués, et les renuméroter créerait un conflit avec la littérature existante et causerait une confusion considérable. L’autre solution, qui consistait à appeler cette nouvelle loi « quatrième loi » et à la placer en dernier sur la liste, était également problématique car elle remplaçait les trois autres lois. Un scientifique, Ralph H. Fowler, a proposé une troisième solution qui a résolu le dilemme : il a appelé la nouvelle loi la « loi zéro ». (Il est intéressant de noter que l’écrivain de science-fiction Isaac Asimov s’est approprié l’idée d’une loi Zeroth dans son roman de 1994 « Robots et Empire » lorsqu’il a trouvé que nécessaire d’ajouter une nouvelle loi aux Trois Lois de la Robotique qui supplantait la Première Loi.)
Selon David McKee, professeur de physique à la Missouri Southern State University, la loi Zeroth « nous dit que, quelle que soit la quantité d’énergie de deux systèmes, le fait de connaître leur énergie ne me permet pas de prédire dans quelle direction la chaleur va circuler si je les mets en contact l’un avec l’autre. La Loi Zéro dit que ce nombre, qui est la température, définit la direction du flux de chaleur, et ne dépend pas directement de la quantité d’énergie qui est impliquée. »
Il poursuit : « La température de deux systèmes est la seule chose que vous devez connaître pour déterminer dans quelle direction la chaleur va circuler entre eux. »
Thermomètres
Même les plantes et les animaux unicellulaires les plus simples réagissent aux changements de température. Les concepts de chaud et de froid, ainsi que de « plus chaud que » et « plus froid que » sont ancrés dans notre physiologie. Cependant, notre capacité à communiquer ce concept nécessitait une certaine norme de comparaison. L’une des premières normes, qui est encore utilisée aujourd’hui, utilise les points de congélation et d’ébullition de l’eau. Le problème, cependant, était de décrire les températures avec suffisamment de précision pour être utile. Il fallait donc une méthode de mesure répétable sur une échelle incrémentale.
La loi zéro de la thermodynamique définit la température et rend les thermomètres possibles. Pour qu’un thermomètre soit utile, cependant, il doit d’abord être étalonné. Toutes les autres unités de mesure de base, par exemple pour la longueur, la masse, le temps, etc. sont chacune définies selon une norme précise. Dans ce cas, nous devons non seulement définir une unité de mesure, mais aussi le point de départ de l’échelle.
Les premiers efforts les plus notables pour normaliser la mesure de la température ont été ceux de Daniel Gabriel Fahrenheit. Au début du 18e siècle, Fahrenheit a inventé les thermomètres familiers de type tube de verre utilisant à la fois l’alcool et le mercure. Il a également inventé l’échelle de Fahrenheit, qui fixe les points de congélation et d’ébullition de l’eau à 32 degrés et 212 degrés, respectivement, et qui est encore utilisée de nos jours, notamment aux États-Unis. La plupart du reste du monde utilise l’échelle Celsius, qui attribue des valeurs de 0 degré pour le point de congélation de l’eau, et de 100 degrés pour son point d’ébullition au niveau moyen de la mer.
Toutes les échelles de mesure utilisées en science et en ingénierie commencent à une valeur de zéro. Le concept de longueur, de masse ou de temps zéro est relativement facile à saisir ; cependant, la température zéro, ou zéro absolu, où il n’y a absolument aucune énergie thermique quelle qu’elle soit, est un peu plus difficile à appréhender. En effet, une telle température n’a jamais été observée dans la nature ou en laboratoire, et on pense généralement qu’elle ne le sera jamais ; cependant, les scientifiques s’en sont approchés.
L’unité de température thermodynamique est le kelvin (K) et est définie en fonction du point triple de l’eau, qui est égal à 0,01 degré C ou 32,01 degrés F. Le point triple est défini comme « la température et la pression particulières auxquelles les phases solide, liquide et gazeuse d’une substance donnée sont toutes en équilibre les unes avec les autres. » Il a été choisi comme norme en grande partie parce qu’il peut être facilement reproduit avec précision dans un laboratoire, alors que la température du point de congélation de l’eau peut être affectée par un certain nombre de variables confondantes. Le National Institute of Standards and Technology définit le kelvin comme « la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau ». Plus simplement, on attribue au point triple de l’eau la valeur de 273,16 K.
La plupart des thermomètres contiennent un liquide ou un métal qui change de volume ou de forme en fonction de sa température. Lorsque le liquide ou le métal atteint l’équilibre thermique avec l’objet ou la substance mesurée, la propriété thermosensible du matériau du thermomètre peut alors être exploitée pour indiquer sa température.
Par exemple, certains types de thermomètres utilisent un liquide, généralement de l’alcool ou du mercure, qui se dilate ou se contracte lorsque la température augmente ou diminue. Cette petite dilatation est amplifiée par la présence d’un réservoir relativement important de liquide dans une ampoule de verre reliée à un long tube de verre très étroit. De cette façon, un petit changement dans le volume du liquide dans l’ampoule peut provoquer un grand changement dans le niveau du liquide dans le tube de sorte que la température peut être déterminée en lisant la hauteur du liquide par rapport à une échelle calibrée.
Un autre type de thermomètre est basé sur l’expansion thermique du métal. Encore une fois, le problème est de savoir comment amplifier un très petit changement de taille pour qu’il puisse être lu sur une échelle. Une solution consiste à utiliser une bobine comportant de nombreuses boucles, de sorte qu’un léger changement de longueur soit multiplié par le nombre de boucles. Un autre type de capteur exploite le fait que les différents métaux se dilatent à des vitesses différentes lorsqu’ils sont chauffés. Des bandes de deux métaux différents ayant des coefficients de dilatation différents peuvent être laminées ensemble de sorte que l’ensemble se recourbe lorsqu’il est chauffé. Cette déviation peut déplacer une aiguille qui peut être lue sur une échelle.
Une autre méthode de mesure de la température repose sur les changements de couleur des matériaux organiques sensibles à la température. Ceux-ci ne sont généralement utiles que pour mesurer des plages de température limitées, comme l’indication de la fièvre ou la surveillance de la température ambiante. Un autre dispositif, appelé thermistance, fonctionne sur la base des changements de la résistivité électrique d’un matériau semi-conducteur en raison de sa température. Ces dispositifs peuvent détecter des changements de température extrêmement faibles et sont utilisés dans les bolomètres et pour surveiller les expériences de laboratoire. Cependant, aucune mesure ne serait possible sans s’appuyer sur le principe décrit dans la loi de Zéro.