A termodinamika zéróttörvénye kimondja, hogy ha két test hőegyensúlyban van egy-egy harmadik testtel, akkor egymással is egyensúlyban vannak. A termikus egyensúly azt jelenti, hogy ha két testet egymással érintkezésbe hozunk, és egy hőt áteresztő gát választja el őket egymástól, akkor nem lesz hőátadás az egyikből a másikba.
Ez lényegében azt mondja ki, hogy a három test mindegyike azonos hőmérsékletű. James Clerk Maxwell ezt talán még egyszerűbben fogalmazta meg, amikor azt mondta: “Minden hő ugyanolyan jellegű”. Ami a legfontosabb, az az, hogy a Zeroth-törvény megállapítja, hogy a hőmérséklet az anyag alapvető és mérhető tulajdonsága.
Történelem
A termodinamika törvényeinek eredeti megalkotásakor csak három volt. A 18. század elején azonban a tudósok rájöttek, hogy a halmaz kiegészítéséhez még egy törvényre van szükség. Ez az új törvény azonban, amely a hőmérséklet formális definícióját mutatta be, tulajdonképpen felülírta a meglévő három törvényt, és joggal kellett volna a lista élére állnia. Ez dilemmát okozott: az eredeti három törvényt már jól ismerték a hozzájuk rendelt számok alapján, és az újraszámozás konfliktusba került volna a meglévő szakirodalommal, és jelentős zavart okozott volna. Az alternatíva, hogy ezt az új törvényt negyedik törvénynek nevezzük és a lista utolsó helyére tesszük, szintén problematikus volt, mivel a másik három törvény helyébe lépett. Egy tudós, Ralph H. Fowler egy harmadik alternatívával állt elő, amely megoldotta a dilemmát: az új törvényt “nulladik törvénynek” nevezte el. (Érdekes módon Isaac Asimov sci-fi író a “Robotok és birodalom” című 1994-es regényében sajátította el a Zéróttörvény ötletét, amikor úgy találta, hogy a robotika három törvényéhez egy új törvényt kell hozzáadni, amely felülírja az első törvényt.)
David McKee, a Missouri Southern State University fizikaprofesszora szerint a Zeroth Law “azt mondja, hogy nem számít, mennyi energiával rendelkezik két rendszer, annak ismerete, hogy mennyi energiával rendelkeznek, nem engedi megjósolni, hogy a hő melyik irányba fog áramlani, ha egymás mellé helyezem őket. A Zeroth-törvény azt mondja, hogy ez a szám, vagyis a hőmérséklet határozza meg a hőáramlás irányát, és ez nem függ közvetlenül az érintett energiamennyiségtől”.
Azzal folytatta: “Két rendszer hőmérséklete az egyetlen dolog, amit tudnunk kell ahhoz, hogy meghatározzuk, milyen irányban áramlik közöttük a hő.”
Hőmérők
Még a legegyszerűbb egysejtű növények és állatok is reagálnak a hőmérséklet változására. A meleg és a hideg, valamint a “melegebb, mint” és a “hidegebb, mint” fogalma beleivódott a fiziológiánkba. Ahhoz azonban, hogy ezt a fogalmat közölni tudjuk, szükségünk volt valamilyen összehasonlítási szabványra. Az egyik első, és a mai napig használatos szabvány a víz fagyási és forráspontját használja. A probléma azonban az volt, hogy hogyan lehet a hőmérsékleteket elég pontosan leírni ahhoz, hogy hasznosak legyenek. Ehhez szükség volt egy megismételhető mérési módszerre egy fokozatos skálán.
A termodinamika nulladik törvénye határozza meg a hőmérsékletet, és teszi lehetővé a hőmérőket. Ahhoz azonban, hogy egy hőmérő hasznos legyen, először kalibrálni kell. Minden más alapvető mértékegység, pl. a hossz, a tömeg, az idő stb. egy-egy pontos szabvány szerint van meghatározva. Ebben az esetben nemcsak a mértékegységet kell meghatározni, hanem a skála kezdőpontját is.
A hőmérsékletmérés szabványosítására tett legjelentősebb korai erőfeszítések Daniel Gabriel Fahrenheit erőfeszítései voltak. A 18. század elején Fahrenheit feltalálta az ismert üvegcső típusú hőmérőket, amelyekben alkoholt és higanyt is használtak. Ő találta fel a Fahrenheit-skálát is, amely a víz fagyási és forráspontját 32 fokban, illetve 212 fokban határozza meg, és amelyet a mai napig használnak, különösen az Egyesült Államokban. A világ nagy része a Celsius-skálát használja, amely a víz fagyáspontjához 0 fokot, forráspontjához pedig 100 fokot rendel az átlagos tengerszinten.
A tudományban és a technikában használt összes mérőskála nulla értékkel kezdődik. A nulla hosszúság, tömeg vagy idő fogalmát viszonylag könnyű felfogni; a nulla hőmérséklet vagy abszolút nulla, ahol egyáltalán nincs hőenergia, azonban egy kicsit nehezebb felfogni. Ennek az az oka, hogy ilyen hőmérsékletet még soha nem figyeltek meg a természetben vagy laboratóriumban, és általában úgy vélik, hogy soha nem is fognak; a tudósok azonban már elég közel jutottak hozzá.
A termodinamikai hőmérséklet mértékegysége a kelvin (K), és a víz hármaspontja alapján határozzák meg, ami 0,01 °C vagy 32,01 F. A hármaspont meghatározása szerint “az a bizonyos hőmérséklet és nyomás, amelyen egy adott anyag szilárd, folyékony és gáznemű fázisai mind egyensúlyban vannak egymással”. Nagyrészt azért választották szabványnak, mert laboratóriumban könnyen és pontosan reprodukálható, míg a víz fagyáspontjának hőmérsékletét számos zavaró változó befolyásolhatja. A National Institute of Standards and Technology meghatározása szerint a kelvin “a víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 1/273,16-os töredéke”. Egyszerűbben, a víz hármaspontjának 273,16 K értéket tulajdonítanak.
A legtöbb hőmérő olyan folyadékot vagy fémet tartalmaz, amelynek térfogata vagy alakja a hőmérséklet függvényében változik. Amikor a folyadék vagy a fém eléri a hőegyensúlyt a mérendő tárggyal vagy anyaggal, akkor a hőmérőben lévő anyag hőmérsékletérzékeny tulajdonságát ki lehet használni annak hőmérsékletének jelzésére.
A hőmérők egyes típusai például folyadékot, jellemzően alkoholt vagy higanyt használnak, amely a hőmérséklet növekedésével vagy csökkenésével kitágul vagy összehúzódik. Ezt a kis kiterjedést felerősíti, ha egy hosszú és nagyon keskeny üvegcsőhöz csatlakozó üveggömbben egy viszonylag nagy folyadéktartály van. Ily módon az üveggömbben lévő folyadék térfogatának kis változása nagymértékű változást okozhat a csőben lévő folyadék szintjében, így a hőmérsékletet úgy lehet meghatározni, hogy a folyadék magasságát egy kalibrált skálán leolvassuk.
A hőmérő egy másik típusa a fém hőtágulásán alapul. Itt is az a probléma, hogyan lehet egy nagyon kis méretváltozást úgy felerősíteni, hogy az egy skálán leolvasható legyen. Az egyik módszer egy sok hurokkal rendelkező tekercs használata, így a csekély hosszváltozás megszorozódik a hurkok számával. Egy másik típus azt a tényt használja ki, hogy a különböző fémek különböző mértékben tágulnak melegítéskor. Két különböző tágulási együtthatójú fémből készült csíkot lehet egymáshoz laminálni, így a szerelvény melegítéskor görbülni fog. Ez az elhajlás egy tűt mozgathat, amely egy skálán leolvasható.
A hőmérséklet mérésének egy másik módszere a hőmérsékletre érzékeny szerves anyagok színváltozásaira támaszkodik. Ezek általában csak korlátozott hőmérsékleti tartományok mérésére alkalmasak, például a láz jelzésére vagy a szobahőmérséklet megfigyelésére. Egy másik, termisztornak nevezett eszköz egy félvezető anyag elektromos ellenállásának a hőmérséklet hatására bekövetkező változásán alapul. Ezek az eszközök rendkívül kis hőmérséklet-változásokat képesek érzékelni, és bolométerekben, valamint laboratóriumi kísérletek megfigyelésére használják őket. Azonban egyetlen mérés sem lenne lehetséges a Zeroth-törvényben leírt elvre való támaszkodás nélkül.