De Zerotica-wet van de thermodynamica stelt dat als twee lichamen elk in thermisch evenwicht zijn met een derde lichaam, zij ook in evenwicht zijn met elkaar. Thermisch evenwicht betekent dat wanneer twee lichamen met elkaar in contact worden gebracht en van elkaar gescheiden worden door een barrière die doorlaatbaar is voor warmte, er geen overdracht van warmte van het ene naar het andere zal plaatsvinden.
Dit zegt in wezen dat de drie lichamen alle dezelfde temperatuur hebben. James Clerk Maxwell formuleerde dit misschien eenvoudiger toen hij zei: “Alle warmte is van dezelfde soort.” Het belangrijkste is dat de Zeroth Law vaststelt dat temperatuur een fundamentele en meetbare eigenschap van materie is.
Geschiedenis
Toen de wetten van de thermodynamica oorspronkelijk werden opgesteld, waren er slechts drie. In het begin van de 18e eeuw realiseerden wetenschappers zich echter dat er nog een wet nodig was om de reeks te completeren. Deze nieuwe wet, die een formele definitie van temperatuur gaf, kwam echter in feite in de plaats van de drie bestaande wetten en zou met recht bovenaan de lijst moeten staan. Dit creëerde een dilemma: de oorspronkelijke drie wetten waren reeds goed bekend onder hun toegewezen nummers, en hernummering zou een conflict veroorzaken met de bestaande literatuur en tot aanzienlijke verwarring leiden. Het alternatief, deze nieuwe wet de Vierde Wet noemen en deze als laatste op de lijst plaatsen, was ook problematisch omdat deze de andere drie wetten oversteeg. Een wetenschapper, Ralph H. Fowler, kwam met een derde alternatief dat het dilemma oploste: hij noemde de nieuwe wet de “Zeroth Law”. (Het is interessant dat science fiction schrijver Isaac Asimov zich het idee voor een Zeroth Law toe-eigende in zijn roman “Robots and Empire” uit 1994, toen hij vond dat er een nieuwe wet moest worden toegevoegd aan de Drie Wetten van Robotica die de Eerste Wet verving.)
Volgens David McKee, professor in de natuurkunde aan de Missouri Southern State University, “zegt de Zeroth Law ons dat het niet uitmaakt hoeveel energie twee systemen hebben, als ik weet hoeveel energie ze hebben kan ik niet voorspellen in welke richting de warmte zal stromen als ik ze met elkaar in contact breng. De Zeroth wet zegt dat dit getal, dat de temperatuur is, de richting van de warmtestroom bepaalt, en dat het niet direct afhangt van de hoeveelheid energie die ermee gemoeid is.”
Hij vervolgde: “De temperatuur van twee systemen is het enige dat je moet weten om te bepalen in welke richting de warmte tussen hen zal stromen.”
Thermometers
Zelfs de eenvoudigste eencellige planten en dieren reageren op veranderingen in temperatuur. De begrippen “warm” en “koud”, alsmede “warmer dan” en “kouder dan” zijn in onze fysiologie verankerd. Ons vermogen om dit begrip te communiceren vereiste echter een vergelijkingsmaatstaf. Een van de eerste maatstaven, en een die tot op de dag van vandaag wordt gebruikt, is het vriespunt en het kookpunt van water. Het probleem was echter hoe men temperaturen kon beschrijven met voldoende precisie om bruikbaar te zijn. Dit vereiste een herhaalbare methode voor meting op een incrementele schaal.
De Zeroth Law of Thermodynamics definieert temperatuur en maakt thermometers mogelijk. Een thermometer kan echter alleen nuttig zijn, als hij eerst geijkt is. Alle andere fundamentele meeteenheden, b.v. voor lengte, massa, tijd, enz. zijn gedefinieerd volgens een nauwkeurige standaard. In dit geval moeten we niet alleen een meeteenheid definiëren, maar ook het beginpunt van de schaal.
De meest opmerkelijke vroege pogingen om temperatuurmeting te standaardiseren waren die van Daniel Gabriel Fahrenheit. In het begin van de 18e eeuw vond Fahrenheit de bekende thermometers van het type glazen buis uit, die zowel alcohol als kwik gebruikten. Hij vond ook de Fahrenheit-schaal uit, die het vries- en kookpunt van water op respectievelijk 32 en 212 graden vaststelt, en die tot op de dag van vandaag wordt gebruikt, vooral in de Verenigde Staten. Het grootste deel van de rest van de wereld gebruikt de Celsius-schaal, die waarden van 0 graden toekent voor het vriespunt van water, en 100 graden voor het kookpunt ervan op gemiddeld zeeniveau.
Alle meetschalen die in de wetenschap en techniek worden gebruikt, beginnen bij een waarde van nul. Het begrip nul van lengte, massa of tijd is betrekkelijk gemakkelijk te vatten; maar de nultemperatuur, of het absolute nulpunt, waarbij er absoluut geen warmte-energie is, is iets moeilijker te vatten. Dit komt omdat een dergelijke temperatuur nog nooit in de natuur of in het laboratorium is waargenomen, en algemeen wordt aangenomen dat dit ook nooit zal gebeuren; wetenschappers zijn echter al aardig in de buurt gekomen.
De eenheid voor thermodynamische temperatuur is de kelvin (K) en wordt gedefinieerd aan de hand van het tripelpunt van water, dat gelijk is aan 0,01 graad C of 32,01 graden F. Het tripelpunt wordt gedefinieerd als “de bepaalde temperatuur en druk waarbij de vaste, vloeibare en gasvormige fasen van een bepaalde stof met elkaar in evenwicht zijn”. Het werd als norm gekozen omdat het gemakkelijk nauwkeurig kan worden gereproduceerd in een laboratorium, terwijl de temperatuur van het vriespunt van water kan worden beïnvloed door een aantal verwarrende variabelen. Het National Institute of Standards and Technology definieert de kelvin als “het 1/273,16 gedeelte van de thermodynamische temperatuur van het tripelpunt van water”. Eenvoudiger gezegd, aan het tripelpunt van water wordt een waarde van 273,16 K toegekend.
De meeste thermometers bevatten vloeistof of metaal dat van volume of vorm verandert afhankelijk van de temperatuur. Wanneer de vloeistof of het metaal een thermisch evenwicht bereikt met het te meten voorwerp of de te meten stof, kan de temperatuurgevoelige eigenschap van het materiaal in de thermometer worden benut om de temperatuur aan te geven.
Bij sommige soorten thermometers wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van een vloeistof, meestal alcohol of kwik, die uitzet of krimpt bij toenemende of afnemende temperatuur. Deze kleine uitzetting wordt versterkt door een betrekkelijk groot reservoir van vloeistof in een glazen bol te hebben, verbonden met een lange en zeer smalle glazen buis. Op deze wijze kan een kleine verandering in het volume van de vloeistof in de bol een grote verandering in het niveau van de vloeistof in de buis veroorzaken, zodat de temperatuur kan worden bepaald door de hoogte van de vloeistof af te lezen aan een gekalibreerde schaal.
Een ander type thermometer is gebaseerd op de thermische uitzetting van metaal. Ook hier is het probleem hoe een zeer kleine verandering in grootte kan worden versterkt zodat zij op een schaal kan worden afgelezen. Eén manier is het gebruik van een spoel met veel lussen, zodat een kleine verandering in lengte wordt vermenigvuldigd met het aantal lussen. Een ander type maakt gebruik van het feit dat verschillende metalen bij verhitting in verschillende mate uitzetten. Stroken van twee verschillende metalen met verschillende uitzettingscoëfficiënten kunnen aan elkaar worden gelamineerd, zodat het geheel bij verhitting gaat omkrullen. Deze doorbuiging kan een naald in beweging brengen die op een schaalverdeling kan worden afgelezen.
Een andere methode om de temperatuur te meten berust op kleurveranderingen in temperatuurgevoelige organische materialen. Deze zijn doorgaans alleen nuttig voor het meten van beperkte temperatuurbereiken, zoals het aangeven van koorts of het bewaken van de kamertemperatuur. Een ander apparaat, een thermistor genaamd, werkt op basis van veranderingen in de elektrische weerstand van een halfgeleidend materiaal als gevolg van de temperatuur. Deze apparaten kunnen uiterst kleine temperatuurveranderingen detecteren en worden gebruikt in bolometers en om laboratoriumexperimenten te controleren. Geen enkele meting zou echter mogelijk zijn zonder te vertrouwen op het principe beschreven in de Zeroth Law.