熱力学の第0法則は、2つの物体がそれぞれある第3の物体と熱平衡にある場合、それらはまた互いに平衡であるとするものである。 熱平衡とは、2つの物体を互いに接触させ、熱に対して透過性のある障壁で分離したとき、一方から他方への熱の移動がないことを意味する
これは要するに、3体の温度がすべて同じであることを言っている。 マクスウェルは「すべての熱は同じ種類である」と言ったが、これはもっと簡単な表現であろう。
歴史
熱力学の法則が最初に確立されたとき、3つしかなかった。 しかし、18世紀初頭、科学者たちは、この法則を完成させるために、もう一つの法則が必要であることに気づきました。 しかし、この新しい法則は、温度の正式な定義を示すもので、実は既存の3つの法則に取って代わり、当然ながらリストの先頭に立つべきものだった。 このため、ジレンマが生じた。元の3つの法則はすでに割り当てられた番号でよく知られており、番号を変更すると既存の文献との間に矛盾が生じ、かなりの混乱が生じるからであった。 また、この新しい法則を「第4法則」と呼んでリストの最後に置くという方法も、他の3つの法則に取って代わるという点で問題であった。 そこで、ラルフ・H・ファウラーという科学者が、このジレンマを解決する第三の選択肢を考え出した。 (興味深いことに、SF作家のアイザック・アシモフは、1994年の小説「ロボットと帝国」の中で、ロボット工学の三法則に第一法則に代わる新しい法則を加える必要があると考え、このゼロの法則のアイデアを流用した。)
ミズーリ南州立大学物理学教授のデビッド・マッキーによると、ゼロの法則は「2つの系がどれほどのエネルギーを持っていても、それらがどれほどのエネルギーを持っているかを知っていても、それらを互いに接触させた場合に熱がどの方向に流れるかを予測することはできない」と説いています。 ゼロの法則は、温度というこの数字が熱の流れる方向を規定するのであって、そのエネルギー量には直接依存しないと言っているのです。”
彼は続けて、「2つの系の温度は、それらの間で熱がどちらの方向に流れるかを決定するために知る必要がある唯一のものだ」と述べた。”
温度計
最も単純な単細胞植物や動物でさえ、温度変化に応答する。 暑い」「寒い」、そして「より暑い」「より寒い」という概念は、私たちの生理に刻み込まれているのである。 しかし、この概念を伝えるためには、比較のための何らかの基準が必要であった。 その最初の基準のひとつが、水の凝固点と沸騰点である。 しかし、問題は温度を精度よく表現することであった。 そのためには、段階的なスケールで繰り返し測定できる方法が必要だった。
熱力学の第0法則は温度を定義し、温度計を可能にした。 しかし、温度計が有用であるためには、まず校正されなければならない。 他のすべての基本単位、例えば長さ、質量、時間などは、それぞれ正確な基準に従って定義されています。 この場合、単位を定義するだけでなく、目盛りの始点も定義しなければならない。
温度測定の標準化に対する初期の取り組みで最も注目されたのは、ダニエル・ガブリエル・ファーレンハイトのものであった。 18世紀初頭、ファーレンハイトはアルコールと水銀を用いたおなじみのガラス管式体温計を発明した。 また、水の凝固点を32度、沸点を212度とする華氏尺度を考案し、現在でも米国を中心に使われている。 5393>
科学や工学で使用されるすべての測定尺度は、ゼロの値から始まる。 長さや質量、時間がゼロというのは比較的理解しやすいが、熱エネルギーがまったく存在しない温度ゼロ、つまり絶対零度というのは、もう少し理解しにくい。 なぜなら、そのような温度は自然界でも実験室でも観測されたことがなく、今後も観測されることはないと一般に考えられているからです。しかし、科学者はそれにかなり近づいたことがあります。
熱力学的温度の単位はケルビン（K）で、水の三重点（0.01度Cまたは32.01度Fに相当）に従って定義されています。三重点は「ある物質の固相、液相、気相がすべて互いに平衡となる特定の温度と圧力」と定義されています。 水の凝固点の温度が多くの交錯変数に影響されるのに対し、実験室で容易に正確に再現できることが、基準として選ばれた大きな理由である。 米国標準技術研究所では、ケルビンを「水の三重点の熱力学的温度の1/273.16の分数」と定義している。 より簡単に言うと、水の三重点は273.16Kという値が割り当てられている。
ほとんどの温度計は、温度によって体積や形状が変化する液体や金属を含んでいる。 液体や金属が測定対象物と熱平衡になると、温度計の中の物質の感温性を利用して温度を表示することができる。
たとえば、ある種の温度計は、温度の上昇または低下に伴って膨張または収縮する液体、通常はアルコールまたは水銀を使用しています。 この小さな膨張は、細長いガラス管に接続されたガラスバルブ内の液体の比較的大きなリザーバを持つことによって増幅されます。 このようにして、電球内の液体の体積がわずかに変化すると、管内の液体のレベルが大きく変化するため、目盛り付きの目盛りを使って液体の高さを読み取ることにより、温度を決定することができます。
また、金属の熱膨張を利用した温度計もある。 ここでも問題は、非常に小さな変化をいかに増幅し、目盛りで読み取れるようにするかである。 ループの多いコイルを使い、わずかな長さの変化をループの数だけ増幅させる方法があります。 また、金属は熱を加えると膨張率が異なることを利用する方法もある。 膨張係数の異なる2種類の金属を積層し、熱を加えると丸くなるようにしたものである。 このたわみによって、目盛りを読み取ることができる針を動かすことができるのです。
温度を測定するもう一つの方法は、温度に敏感な有機物質の色の変化に依存する。 これらは一般に、発熱を示す、あるいは室温を監視するなど、限られた温度範囲の測定にのみ有効である。 また、サーミスタと呼ばれるデバイスは、半導体材料の温度による電気抵抗の変化に基づいて動作する。 これらは極めて微小な温度変化を検出することができ、ボロメーターや実験室のモニタリングなどに利用されている。 しかし、ゼロの法則に書かれた原理に頼らなければ、どんな測定もできない。