La legge zero della termodinamica afferma che se due corpi sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo corpo, allora sono anche in equilibrio tra loro. L’equilibrio termico significa che quando due corpi sono messi in contatto tra loro e separati da una barriera permeabile al calore, non ci sarà trasferimento di calore da uno all’altro.
Questo dice in sostanza che i tre corpi hanno tutti la stessa temperatura. James Clerk Maxwell ha messo questo forse più semplicemente quando ha detto: “Tutto il calore è dello stesso tipo”. La cosa più importante è che la legge Zeroth stabilisce che la temperatura è una proprietà fondamentale e misurabile della materia.
Storia
Quando le leggi della termodinamica furono stabilite originariamente, erano solo tre. All’inizio del XVIII secolo, però, gli scienziati si resero conto che era necessaria un’altra legge per completare l’insieme. Tuttavia, questa nuova legge, che presentava una definizione formale della temperatura, in realtà sostituiva le tre leggi esistenti e doveva essere giustamente in testa alla lista. Questo creava un dilemma: le tre leggi originali erano già ben note con i loro numeri assegnati, e rinumerarle avrebbe creato un conflitto con la letteratura esistente e causato una notevole confusione. L’alternativa, chiamare questa nuova legge la Quarta Legge e metterla per ultima nella lista, era anche problematica perché sostituiva le altre tre leggi. Uno scienziato, Ralph H. Fowler, se ne uscì con una terza alternativa che risolveva il dilemma: chiamò la nuova legge “Legge Zero”. (È interessante notare che lo scrittore di fantascienza Isaac Asimov si è appropriato dell’idea di una legge Zeroth nel suo romanzo del 1994 “Robots and Empire” quando ha scoperto che era necessario aggiungere una nuova legge alle Tre Leggi della Robotica che sostituisse la Prima Legge.)
Secondo David McKee, professore di fisica alla Missouri Southern State University, la Legge Zeroth “ci dice che non importa quanta energia abbiano due sistemi, sapere quanta energia hanno non mi permette di prevedere in quale direzione scorrerà il calore se li metto in contatto tra loro. La legge di Zeroth dice che questo numero, che è la temperatura, definisce la direzione del flusso di calore, e non dipende direttamente dalla quantità di energia che è coinvolta.”
Continuava: “La temperatura di due sistemi è l’unica cosa che è necessario conoscere per determinare in quale direzione il calore scorrerà tra loro.”
Termometri
Anche le più semplici piante e animali unicellulari rispondono ai cambiamenti di temperatura. I concetti di caldo e freddo, così come “più caldo di” e “più freddo di” sono incisi nella nostra fisiologia. Tuttavia, la nostra capacità di comunicare questo concetto richiedeva qualche standard di confronto. Uno dei primi standard, che viene usato ancora oggi, utilizza i punti di congelamento e di ebollizione dell’acqua. Il problema, però, era come descrivere le temperature con sufficiente precisione per essere utile. Questo richiedeva un metodo ripetibile per la misurazione su una scala incrementale.
La legge zero della termodinamica definisce la temperatura e rende possibili i termometri. Affinché un termometro sia utile, però, deve essere prima calibrato. Tutte le altre unità di misura di base, per esempio la lunghezza, la massa, il tempo, ecc. sono definite secondo uno standard preciso. In questo caso, non dobbiamo solo definire un’unità di misura, ma anche il punto di partenza della scala.
I primi sforzi notevoli per standardizzare la misura della temperatura furono quelli di Daniel Gabriel Fahrenheit. All’inizio del XVIII secolo, Fahrenheit inventò i familiari termometri a tubo di vetro usando sia l’alcool che il mercurio. Ha anche inventato la scala Fahrenheit, che fissa i punti di congelamento e di ebollizione dell’acqua a 32 gradi e 212 gradi, rispettivamente, ed è ancora usata oggi, in particolare negli Stati Uniti. La maggior parte del resto del mondo usa la scala Celsius, che assegna valori di 0 gradi per il punto di congelamento dell’acqua e 100 gradi per il suo punto di ebollizione al livello medio del mare.
Tutte le scale di misura usate nella scienza e nell’ingegneria iniziano con il valore zero. Il concetto di lunghezza, massa o tempo zero è relativamente facile da capire; tuttavia, la temperatura zero, o zero assoluto, dove non c’è assolutamente alcuna energia termica, è un po’ più difficile da capire. Questo perché una tale temperatura non è mai stata osservata in natura o in laboratorio, e si crede generalmente che non lo sarà mai; tuttavia, gli scienziati ci sono andati abbastanza vicini.
L’unità di misura della temperatura termodinamica è il kelvin (K) ed è definita in base al punto triplo dell’acqua, che è uguale a 0,01 gradi C o 32,01 gradi F. Il punto triplo è definito come “la particolare temperatura e pressione alla quale le fasi solida, liquida e gassosa di una data sostanza sono tutte in equilibrio tra loro”. È stato scelto come standard in gran parte perché può essere facilmente riprodotto con precisione in un laboratorio, mentre la temperatura del punto di congelamento dell’acqua può essere influenzata da una serie di variabili confondenti. Il National Institute of Standards and Technology definisce il kelvin come “la frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell’acqua”. Più semplicemente, al punto triplo dell’acqua viene assegnato un valore di 273,16 K.
La maggior parte dei termometri contiene un liquido o un metallo che cambia volume o forma a seconda della sua temperatura. Quando il liquido o il metallo raggiunge l’equilibrio termico con l’oggetto o la sostanza da misurare, la proprietà sensibile alla temperatura del materiale nel termometro può essere sfruttata per indicare la sua temperatura.
Per esempio, alcuni tipi di termometri usano un liquido, tipicamente alcol o mercurio, che si espande o si contrae con l’aumentare o il diminuire della temperatura. Questa piccola espansione viene amplificata avendo un serbatoio relativamente grande di liquido in un bulbo di vetro collegato ad un tubo di vetro lungo e molto stretto. In questo modo un piccolo cambiamento nel volume del liquido nel bulbo può causare un grande cambiamento nel livello del liquido nel tubo in modo che la temperatura può essere determinata leggendo l’altezza del liquido contro una scala calibrata.
Un altro tipo di termometro si basa sulla dilatazione termica del metallo. Ancora una volta, il problema è come amplificare un cambiamento molto piccolo di dimensioni in modo che possa essere letto su una scala. Un modo è quello di utilizzare una bobina con molte spire in modo che un leggero cambiamento di lunghezza sia moltiplicato per il numero di spire. Un altro tipo sfrutta il fatto che metalli diversi si espandono a tassi diversi quando vengono riscaldati. Strisce di due metalli diversi con diversi coefficienti di espansione possono essere laminate insieme in modo che l’insieme si arricci quando viene riscaldato. Questa deflessione può muovere un ago che può essere letto su una scala.
Un altro metodo per misurare la temperatura si basa sui cambiamenti di colore nei materiali organici sensibili alla temperatura. Questi sono tipicamente utili solo per misurare intervalli di temperatura limitati, come l’indicazione della febbre o il monitoraggio della temperatura ambiente. Un altro dispositivo, chiamato termistore, funziona sulla base dei cambiamenti nella resistività elettrica di un materiale semiconduttore a causa della sua temperatura. Questi dispositivi possono rilevare cambiamenti di temperatura estremamente piccoli e sono utilizzati nei bolometri e per monitorare gli esperimenti di laboratorio. Tuttavia, nessuna misurazione sarebbe possibile senza basarsi sul principio descritto nella legge di Zeroth.