Legea Zeroth a termodinamicii afirmă că, dacă două corpuri se află fiecare în echilibru termic cu un al treilea corp, atunci ele se află în echilibru și între ele. Echilibrul termic înseamnă că atunci când două corpuri sunt puse în contact unul cu celălalt și separate de o barieră permeabilă la căldură, nu va exista nici un transfer de căldură de la unul la celălalt.
Aceasta spune, în esență, că toate cele trei corpuri sunt la aceeași temperatură. James Clerk Maxwell a exprimat acest lucru poate mai simplu când a spus: „Toată căldura este de același fel”. Ceea ce este cel mai important este că Legea Zeroth stabilește că temperatura este o proprietate fundamentală și măsurabilă a materiei.
Istoric
Când au fost stabilite inițial legile termodinamicii, erau doar trei. La începutul secolului al XVIII-lea, însă, oamenii de știință și-au dat seama că mai era nevoie de încă o lege pentru a completa setul. Cu toate acestea, această nouă lege, care prezenta o definiție formală a temperaturii, a înlocuit de fapt cele trei legi existente și ar trebui să se afle pe bună dreptate în fruntea listei. Acest lucru a creat o dilemă: cele trei legi originale erau deja bine cunoscute prin numerele care le fuseseră atribuite, iar renumerotarea lor ar fi creat un conflict cu literatura existentă și ar fi provocat o confuzie considerabilă. Alternativa, de a numi această nouă lege a patra lege și de a o plasa ultima pe listă, era, de asemenea, problematică, deoarece le înlocuia pe celelalte trei legi. Un om de știință, Ralph H. Fowler, a venit cu o a treia alternativă care a rezolvat dilema: a numit noua lege „Legea Zeroth”. (Interesant este că scriitorul de science-fiction Isaac Asimov și-a însușit ideea unei legi Zeroth în romanul său din 1994, „Roboți și imperiu”, atunci când a constatat că avea nevoie să adauge o nouă lege la cele Trei legi ale roboticii care să o înlocuiască pe Prima lege.)
Potrivit lui David McKee, profesor de fizică la Missouri Southern State University, Legea Zeroth „ne spune că, indiferent de câtă energie au două sisteme, faptul că știu câtă energie au nu mă lasă să prezic în ce direcție va curge căldura dacă le pun în contact unul cu celălalt. Legea Zeroth spune că acest număr, care este temperatura, definește direcția fluxului de căldură și nu depinde direct de cantitatea de energie care este implicată”.
El a continuat: „Temperatura a două sisteme este singurul lucru pe care trebuie să-l știți pentru a determina în ce direcție va curge căldura între ele.”
Termometre
Chiar și cele mai simple plante și animale unicelulare răspund la schimbările de temperatură. Conceptele de cald și rece, precum și de „mai cald decât” și „mai rece decât” sunt înrădăcinate în fiziologia noastră. Cu toate acestea, capacitatea noastră de a comunica acest concept a necesitat un anumit standard de comparație. Unul dintre primele standarde, care este folosit și în prezent, utilizează punctele de îngheț și de fierbere ale apei. Problema, însă, era cum să descriem temperaturile cu suficientă precizie pentru a fi utile. Pentru aceasta era nevoie de o metodă repetabilă de măsurare pe o scară incrementală.
Legea Zeroth a termodinamicii definește temperatura și face posibile termometrele. Totuși, pentru ca un termometru să fie util, acesta trebuie mai întâi să fie calibrat. Toate celelalte unități de măsură de bază, de exemplu, pentru lungime, masă, timp etc., sunt definite fiecare în funcție de un standard precis. În acest caz, nu trebuie să definim doar o unitate de măsură, ci și punctul de început al scalei.
Cele mai notabile eforturi timpurii de standardizare a măsurării temperaturii au fost cele ale lui Daniel Gabriel Fahrenheit. La începutul secolului al XVIII-lea, Fahrenheit a inventat cunoscutele termometre de tip tub de sticlă care utilizează atât alcool, cât și mercur. El a inventat, de asemenea, scara Fahrenheit, care stabilește punctele de îngheț și de fierbere ale apei la 32 de grade și, respectiv, 212 grade și care este folosită și în prezent, în special în Statele Unite. Cea mai mare parte a restului lumii folosește scara Celsius, care atribuie valorile de 0 grade pentru punctul de îngheț al apei și de 100 de grade pentru punctul de fierbere al acesteia la nivelul mediu al mării.
Toate scalele de măsură utilizate în știință și inginerie încep de la valoarea zero. Conceptul de lungime, masă sau timp zero este relativ ușor de înțeles; cu toate acestea, temperatura zero, sau zero absolut, unde nu există absolut nici un fel de energie termică, este un pic mai dificil de înțeles. Acest lucru se datorează faptului că o astfel de temperatură nu a fost niciodată observată în natură sau în laborator și, în general, se crede că nu va fi niciodată; cu toate acestea, oamenii de știință s-au apropiat destul de mult.
Unitatea de măsură a temperaturii termodinamice este kelvinul (K) și este definită în funcție de punctul triplu al apei, care este egal cu 0,01 grade C sau 32,01 grade F. Punctul triplu este definit ca fiind „temperatura și presiunea particulară la care fazele solidă, lichidă și gazoasă ale unei anumite substanțe sunt toate în echilibru între ele”. A fost ales ca etalon în mare parte pentru că poate fi ușor de reprodus cu precizie într-un laborator, în timp ce temperatura punctului de îngheț al apei poate fi afectată de o serie de variabile confuze. Institutul Național de Standarde și Tehnologie definește kelvinul ca fiind „fracțiunea 1/273,16 din temperatura termodinamică a punctului triplu al apei”. Mai simplu, punctului triplu al apei i se atribuie o valoare de 273,16 K.
Majoritatea termometrelor conțin lichid sau metal care își schimbă volumul sau forma în funcție de temperatură. Atunci când lichidul sau metalul atinge echilibrul termic cu obiectul sau substanța care se măsoară, proprietatea sensibilă la temperatură a materialului din termometru poate fi apoi exploatată pentru a indica temperatura acestuia.
De exemplu, unele tipuri de termometre utilizează un lichid, de obicei alcool sau mercur, care se dilată sau se contractă odată cu creșterea sau scăderea temperaturii. Această mică expansiune este amplificată prin existența unui rezervor relativ mare de lichid într-un bulb de sticlă conectat la un tub de sticlă lung și foarte îngust. În acest fel, o mică modificare a volumului de lichid din bulb poate provoca o modificare mare a nivelului lichidului din tub, astfel încât temperatura poate fi determinată prin citirea înălțimii lichidului pe o scară calibrată.
Un alt tip de termometru se bazează pe dilatarea termică a metalului. Din nou, problema este cum să amplifici o schimbare foarte mică de mărime astfel încât să poată fi citită pe o scală. O modalitate este de a folosi o bobină cu multe bucle, astfel încât o mică schimbare de lungime să fie înmulțită cu numărul de bucle. Un alt tip exploatează faptul că diferite metale se dilată cu viteze diferite atunci când sunt încălzite. Benzi din două metale diferite cu coeficienți de dilatare diferiți pot fi laminate împreună, astfel încât ansamblul să se curbeze atunci când este încălzit. Această deformare poate deplasa un ac care poate fi citit pe o scală.
O altă metodă de măsurare a temperaturii se bazează pe schimbările de culoare din materialele organice sensibile la temperatură. Acestea sunt de obicei utile doar pentru măsurarea unor intervale limitate de temperatură, cum ar fi indicarea febrei sau monitorizarea temperaturii camerei. Un alt dispozitiv, numit termistor, funcționează pe baza modificărilor rezistivității electrice a unui material semiconductor în funcție de temperatura acestuia. Aceste dispozitive pot detecta schimbări de temperatură extrem de mici și sunt utilizate în bolometre și pentru a monitoriza experimentele de laborator. Cu toate acestea, nicio măsurătoare nu ar fi posibilă fără să se bazeze pe principiul descris în Legea lui Zeroth.