Thermodynamikens nollvision säger att om två kroppar befinner sig i termisk jämvikt med en tredje kropp, så befinner de sig också i jämvikt med varandra. Termisk jämvikt innebär att när två kroppar kommer i kontakt med varandra och skiljs åt av en barriär som är genomtränglig för värme, kommer det inte att ske någon överföring av värme från den ena till den andra.
Detta säger i huvudsak att de tre kropparna alla har samma temperatur. James Clerk Maxwell uttryckte detta kanske enklare när han sa: ”All värme är av samma slag”. Det viktigaste är att Zeroths lag fastställer att temperaturen är en grundläggande och mätbar egenskap hos materien.
Historik
När termodynamikens lagar ursprungligen fastställdes fanns det bara tre. I början av 1700-talet insåg dock vetenskapsmännen att ytterligare en lag behövdes för att komplettera uppsättningen. Denna nya lag, som presenterade en formell definition av temperatur, ersatte dock faktiskt de tre befintliga lagarna och borde rätteligen stå överst på listan. Detta skapade ett dilemma: de ursprungliga tre lagarna var redan välkända genom sina tilldelade nummer, och att numrera om dem skulle skapa en konflikt med den befintliga litteraturen och orsaka stor förvirring. Alternativet, att kalla denna nya lag för den fjärde lagen och placera den sist på listan, var också problematiskt eftersom den ersatte de tre andra lagarna. En forskare, Ralph H. Fowler, kom med ett tredje alternativ som löste dilemmat: han kallade den nya lagen för ”Zeroth Law”. (Intressant nog tog science fiction-författaren Isaac Asimov till sig idén om den nollställda lagen i sin roman ”Robots and Empire” från 1994 när han fann att han behövde lägga till en ny lag till Robotikens tre lagar som ersatte den första lagen.)
Enligt David McKee, professor i fysik vid Missouri Southern State University, säger Zeroth-lagen ”att det spelar ingen roll hur mycket energi två system har, men att veta hur mycket energi de har gör att jag inte kan förutsäga i vilken riktning värmen kommer att flöda om jag sätter dem i kontakt med varandra. Zeroth-lagen säger att detta tal, som är temperaturen, definierar riktningen för värmeflödet och att det inte beror direkt på hur mycket energi det handlar om.”
Han fortsatte: ”Temperaturen i två system är det enda du behöver veta för att avgöra i vilken riktning värmen kommer att flöda mellan dem.”
Termometrar
Även de enklaste encelliga växterna och djuren reagerar på förändringar i temperaturen. Begreppen varmt och kallt samt ”varmare än” och ”kallare än” är inpräntat i vår fysiologi. Vår förmåga att kommunicera dessa begrepp krävde dock någon standard för jämförelse. En av de första standarderna, som fortfarande används i dag, är vattnets fryspunkt och kokpunkt. Problemet var dock hur man skulle beskriva temperaturer med tillräcklig precision för att vara användbar. Detta krävde en repeterbar metod för mätning på en stegvis skala.
Thermodynamikens nollvision definierar temperatur och gör termometrar möjliga. För att en termometer ska vara användbar måste den dock först kalibreras. Alla andra grundläggande måttenheter, t.ex. för längd, massa, tid osv. definieras var och en enligt en exakt standard. I det här fallet måste vi inte bara definiera en måttenhet utan också skalans utgångspunkt.
De mest anmärkningsvärda tidiga insatserna för att standardisera temperaturmätning gjordes av Daniel Gabriel Fahrenheit. I början av 1700-talet uppfann Fahrenheit de välkända termometrarna av glasrörstyp med både alkohol och kvicksilver. Han uppfann också Fahrenheitskalan, som fastställer vattnets fryspunkt och kokpunkt till 32 grader respektive 212 grader, och som fortfarande används i dag, särskilt i USA. Större delen av resten av världen använder Celsiusskalan, som tilldelar värden på 0 grader för vattnets fryspunkt och 100 grader för dess kokpunkt vid genomsnittlig havsnivå.
Alla mätskalor som används inom vetenskap och teknik börjar vid värdet noll. Begreppet noll längd, massa eller tid är relativt lätt att förstå, men nolltemperaturen, eller den absoluta nollpunkten, där det inte finns någon som helst värmeenergi, är lite svårare att förstå. Detta beror på att en sådan temperatur aldrig har observerats i naturen eller i laboratoriet, och man tror allmänt att den aldrig kommer att observeras, men vetenskapsmännen har dock kommit ganska nära.
Enheten för termodynamisk temperatur är kelvin (K) och definieras i enlighet med vattnets trippelpunkt, som är lika med 0,01 grader C eller 32,01 grader F. Trippelpunkten definieras som ”den särskilda temperatur och det särskilda tryck vid vilka de fasta, flytande och gasformiga faserna av ett givet ämne alla befinner sig i jämvikt med varandra”. Den valdes som standard till stor del för att den lätt kan reproduceras exakt i ett laboratorium, medan temperaturen för vattnets fryspunkt kan påverkas av ett antal förvirrande variabler. National Institute of Standards and Technology definierar kelvin som ”bråkdelen 1/273,16 av den termodynamiska temperaturen för vattnets trippelpunkt”. Mer enkelt uttryckt tilldelas vattnets trippelpunkt ett värde på 273,16 K.
De flesta termometrar innehåller vätska eller metall som ändrar volym eller form beroende på sin temperatur. När vätskan eller metallen når termisk jämvikt med det föremål eller ämne som mäts kan den temperaturkänsliga egenskapen hos materialet i termometern sedan utnyttjas för att ange dess temperatur.
För vissa typer av termometrar används till exempel en vätska, vanligtvis alkohol eller kvicksilver, som expanderar eller drar ihop sig med stigande eller sjunkande temperatur. Denna lilla expansion förstärks genom att ha en relativt stor reservoar av vätska i en glaskolv som är ansluten till ett långt och mycket smalt glasrör. På detta sätt kan en liten förändring av vätskans volym i glödlampan orsaka en stor förändring av vätskenivån i röret, så att temperaturen kan bestämmas genom att avläsa vätskans höjd mot en kalibrerad skala.
En annan typ av termometer bygger på metallens termiska expansion. Återigen är problemet hur man kan förstärka en mycket liten förändring i storlek så att den kan avläsas på en skala. Ett sätt är att använda en spole med många slingor så att en liten längdförändring multipliceras med antalet slingor. En annan typ utnyttjar det faktum att olika metaller expanderar olika snabbt vid upphettning. Remsor av två olika metaller med olika utvidgningskoefficienter kan lamineras ihop så att sammansättningen krullar sig när den värms upp. Denna böjning kan flytta en nål som kan avläsas mot en skala.
En annan metod för att mäta temperatur bygger på färgförändringar i temperaturkänsliga organiska material. Dessa är vanligtvis endast användbara för att mäta begränsade temperaturområden, t.ex. för att indikera feber eller övervaka rumstemperaturen. En annan anordning, en så kallad termistor, fungerar baserat på förändringar i den elektriska resistiviteten hos ett halvledarmaterial på grund av dess temperatur. Dessa anordningar kan upptäcka extremt små temperaturförändringar och används i bolometrar och för att övervaka laboratorieexperiment. Ingen mätning skulle dock vara möjlig utan att förlita sig på den princip som beskrivs i Zeroths lag.