Zerowe prawo termodynamiki mówi, że jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z jakimś trzecim ciałem, to są one również w równowadze ze sobą. Równowaga cieplna oznacza, że gdy dwa ciała są w kontakcie ze sobą i oddzielone barierą, która jest przepuszczalna dla ciepła, nie będzie transferu ciepła z jednego do drugiego.
To mówi w istocie, że wszystkie trzy ciała mają taką samą temperaturę. James Clerk Maxwell ujął to być może prościej, kiedy powiedział: „Całe ciepło jest tego samego rodzaju”. Najważniejsze jest to, że Prawo Zerotha ustanawia, że temperatura jest fundamentalną i mierzalną własnością materii.
Historia
Gdy prawa termodynamiki zostały pierwotnie ustanowione, były tylko trzy. Na początku XVIII wieku naukowcy zdali sobie jednak sprawę, że do kompletu potrzebne jest jeszcze jedno prawo. Jednak to nowe prawo, które przedstawiało formalną definicję temperatury, w rzeczywistości zastąpiło trzy istniejące prawa i słusznie powinno znaleźć się na czele listy. Powstał więc dylemat: pierwotne trzy prawa były już dobrze znane dzięki przypisanym im numerom, a zmiana ich numeracji spowodowałaby konflikt z istniejącą literaturą i znaczne zamieszanie. Alternatywa, nazwanie tego nowego prawa Czwartym Prawem i umieszczenie go na końcu listy, również była problematyczna, ponieważ zastępowała pozostałe trzy prawa. Jeden z naukowców, Ralph H. Fowler, wymyślił trzecią alternatywę, która rozwiązała ten dylemat: nazwał nowe prawo „Prawem Zerowym”. (Co ciekawe, pisarz science fiction Isaac Asimov przywłaszczył sobie pomysł na Zerowe Prawo w swojej powieści „Roboty i Imperium” z 1994 roku, kiedy stwierdził, że trzeba dodać nowe prawo do Trzech Praw Robotyki, które zastąpiło Pierwsze Prawo.)
Według Davida McKee, profesora fizyki na Missouri Southern State University, Prawo Zerotha „mówi nam, że bez względu na to, ile energii mają dwa systemy, wiedza o tym, ile energii mają, nie pozwala mi przewidzieć, w którym kierunku popłynie ciepło, jeśli postawię je w kontakcie ze sobą. Prawo Zerotha mówi, że ta liczba, która jest temperaturą, definiuje kierunek przepływu ciepła i nie zależy bezpośrednio od ilości energii, która jest zaangażowana.”
Kontynuował: „Temperatura dwóch układów jest jedyną rzeczą, którą musisz znać, aby określić, w którym kierunku będzie płynąć między nimi ciepło.”
Termometry
Nawet najprostsze jednokomórkowe rośliny i zwierzęta reagują na zmiany temperatury. Pojęcia gorąca i zimna, jak również „gorętszy niż” i „zimniejszy niż” są zakorzenione w naszej fizjologii. Jednak nasza zdolność do przekazywania tych pojęć wymagała pewnego standardu porównawczego. Jednym z pierwszych standardów, który jest używany do dnia dzisiejszego, jest punkt zamarzania i wrzenia wody. Problem polegał jednak na tym, jak opisać temperatury z wystarczającą precyzją, aby były użyteczne. Wymagało to powtarzalnej metody pomiaru w skali przyrostowej.
Zerowe prawo termodynamiki definiuje temperaturę i czyni termometry możliwymi. Aby jednak termometr był użyteczny, musi być najpierw skalibrowany. Wszystkie inne podstawowe jednostki miary, np. długości, masy, czasu itp. są zdefiniowane według precyzyjnego wzorca. W tym przypadku musimy nie tylko zdefiniować jednostkę miary, ale także punkt początkowy skali.
Najbardziej godne uwagi wczesne wysiłki zmierzające do standaryzacji pomiaru temperatury były dziełem Daniela Gabriela Fahrenheita. Na początku XVIII wieku, Fahrenheit wynalazł znane termometry typu szklanej rurki wykorzystujące zarówno alkohol jak i rtęć. Wynalazł on również skalę Fahrenheita, która określa punkty zamarzania i wrzenia wody odpowiednio na 32 i 212 stopni i jest używana do dziś, szczególnie w Stanach Zjednoczonych. Większość reszty świata używa skali Celsjusza, która przypisuje wartości 0 stopni dla punktu zamarzania wody i 100 stopni dla jej punktu wrzenia na średnim poziomie morza.
Wszystkie skale pomiarowe używane w nauce i inżynierii zaczynają się od wartości zero. Koncepcja zerowej długości, masy lub czasu jest stosunkowo łatwa do uchwycenia; jednak zerowa temperatura, lub zero absolutne, gdzie nie ma absolutnie żadnej energii cieplnej, jest nieco trudniejsza do uchwycenia. Dzieje się tak, ponieważ taka temperatura nigdy nie została zaobserwowana w przyrodzie lub w laboratorium i powszechnie uważa się, że nigdy nie zostanie zaobserwowana; jednakże naukowcy zbliżyli się do niej.
Jednostką temperatury termodynamicznej jest kelwin (K) i jest definiowany zgodnie z punktem potrójnym wody, który jest równy 0,01 stopnia C lub 32,01 stopni F. Punkt potrójny jest definiowany jako „szczególna temperatura i ciśnienie, w którym fazy stała, ciekła i gazowa danej substancji są w równowadze ze sobą”. Został on wybrany jako standard głównie dlatego, że może być łatwo odtworzony dokładnie w laboratorium, podczas gdy na temperaturę punktu zamarzania wody może mieć wpływ wiele zmiennych zakłócających. Narodowy Instytut Norm i Technologii definiuje kelwin jako „ułamek 1/273.16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody”. Mówiąc prościej, punktowi potrójnemu wody przypisuje się wartość 273,16 K.
Większość termometrów zawiera ciecz lub metal, który zmienia objętość lub kształt w zależności od temperatury. Kiedy ciecz lub metal osiąga równowagę termiczną z mierzonym obiektem lub substancją, wrażliwa na temperaturę właściwość materiału w termometrze może być wykorzystana do wskazania jego temperatury.
Na przykład, niektóre rodzaje termometrów wykorzystują ciecz, zazwyczaj alkohol lub rtęć, która rozszerza się lub kurczy wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury. Ta mała ekspansja jest wzmacniana przez posiadanie stosunkowo dużego zbiornika cieczy w szklanej bańce połączonej z długą i bardzo wąską rurką szklaną. W ten sposób niewielka zmiana objętości cieczy w bańce może spowodować dużą zmianę poziomu cieczy w rurce tak, że temperatura może być określona przez odczyt wysokości cieczy w stosunku do skalibrowanej skali.
Inny typ termometru jest oparty na rozszerzalności cieplnej metalu. Ponownie, problem polega na tym, jak wzmocnić bardzo małą zmianę w wielkości tak, że może być odczytana na skali. Jednym ze sposobów jest użycie cewki z wieloma pętlami, dzięki czemu niewielka zmiana długości jest mnożona przez liczbę pętli. Inny typ wykorzystuje fakt, że różne metale rozszerzają się w różnym tempie po podgrzaniu. Paski dwóch różnych metali o różnych współczynnikach rozszerzalności mogą być laminowane razem tak, że zespół będzie się zwijać, gdy jest podgrzewany. To ugięcie może poruszyć igłę, która może być odczytana na skali.
Inna metoda pomiaru temperatury opiera się na zmianach kolorów w materiałach organicznych wrażliwych na temperaturę. Są one zazwyczaj przydatne tylko do pomiaru ograniczonych zakresów temperatury, takich jak wskazywanie gorączki lub monitorowanie temperatury pokojowej. Inne urządzenie, zwane termistorem, działa w oparciu o zmiany oporności elektrycznej materiału półprzewodnikowego w zależności od jego temperatury. Urządzenia te mogą wykrywać bardzo małe zmiany temperatury i są używane w bolometrach oraz do monitorowania eksperymentów laboratoryjnych. Jednakże, żaden pomiar nie byłby możliwy bez oparcia się na zasadzie opisanej w Prawie Zerotha.