Μηδενικός Νόμος της Θερμοδυναμικής Υλικών
Μέχρι στιγμής, έχουμε εξετάσει μόνο τη θερμική ισορροπία που βιώνουν δύο αντικείμενα σε επαφή. Για να κατανοήσουμε την έννοια της θερμικής ισορροπίας σε μεγαλύτερο βάθος, ας εξετάσουμε τρία αντικείμενα (ας τα ονομάσουμε αντικείμενο Α, αντικείμενο Β και αντικείμενο Γ). Για παράδειγμα, τα αντικείμενα Β και Γ δεν εφάπτονται μεταξύ τους, αλλά το αντικείμενο Α έρχεται σε επαφή με το αντικείμενο Β και το αντικείμενο Α έρχεται σε επαφή με το αντικείμενο Γ. Παρατηρήστε την παρακάτω εικόνα.
Επειδή εφάπτονται μεταξύ τους, τα αντικείμενα Α και Β βρίσκονται σε θερμική ισορροπία, και ομοίως τα αντικείμενα Α και C βρίσκονται σε θερμική ισορροπία. Είναι τα αντικείμενα Β και C, τα οποία δεν εφάπτονται μεταξύ τους, επίσης σε θερμική ισορροπία;
Αν χρησιμοποιήσουμε μόνο τη λογική, μπορούμε να πούμε ότι τα αντικείμενα Β και Γ βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία, παρόλο που δεν εφάπτονται. Τα αντικείμενα Α και Β βρίσκονται σε θερμική ισορροπία, που σημαίνει ότι η θερμοκρασία του αντικειμένου Α = η θερμοκρασία του αντικειμένου Β. Τα αντικείμενα Α και C βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία, η θερμοκρασία του αντικειμένου Α = η θερμοκρασία του αντικειμένου C. Δεδομένου ότι T A = T B και T A = T C , τότε T B = T C.
Δεδομένου ότι η φυσική δεν βασίζεται μόνο στη λογική, πρέπει να αποδειχθεί μέσω πειραμάτων. Με βάση τα αποτελέσματα του πειράματος, αποδεικνύεται ότι τα αντικείμενα Β και C βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία. Σε αυτήν την περίπτωση, η θερμοκρασία του αντικειμένου Β = η θερμοκρασία του αντικειμένου C. Έτσι, παρόλο που τα αντικείμενα Β και C δεν εφάπτονται μεταξύ τους, αλλά επειδή και τα δύο βρίσκονται σε επαφή με το αντικείμενο Α, τα αντικείμενα Β και C βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία. Αυτό καταλήγει στην ακόλουθη όμορφη σειρά προτάσεων: Εάν δύο αντικείμενα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο αντικείμενο, τότε τα τρία αντικείμενα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.
Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής εξηγεί την αρχή λειτουργίας ενός θερμομέτρου , ενός οργάνου μέτρησης θερμοκρασίας. Θεωρήστε ένα θερμόμετρο υδραργύρου ή ένα θερμόμετρο αλκοόλης. Η αλκοόλη ή ο υδράργυρος έρχεται σε επαφή με το γυαλί και το γυαλί έρχεται σε επαφή με το αντικείμενο του οποίου η θερμοκρασία μετριέται, για παράδειγμα αέρα, νερό ή το ανθρώπινο σώμα. Αν και ο υδράργυρος δεν έρχεται σε επαφή με τον αέρα ή το νερό ή το ανθρώπινο σώμα, επειδή ο υδράργυρος έρχεται σε επαφή με το γυαλί, όταν το γυαλί και ο αέρας ή το νερό ή το ανθρώπινο σώμα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία, τότε ο υδράργυρος και ο αέρας ή το νερό ή το ανθρώπινο σώμα βρίσκονται επίσης σε θερμική ισορροπία.
Οι νόμοι της φυσικής συνήθως ξεκινούν από το 1, σπάνια από το μηδέν. Ονομάζεται μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής επειδή, μετά τη διατύπωση του πρώτου, δεύτερου και τρίτου νόμου της θερμοδυναμικής, οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι υπήρχε ένας πιο θεμελιώδης νόμος που δεν είχε διατυπωθεί ακόμη. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες ονομάζουν αυτόν τον νόμο μηδενικό νόμο της θερμοδυναμικής.
