Ley Cero: Equilibrio Térmico y Temperatura

Dos sistemas $A$ y $B$ pueden estar aislados el uno del otro y del entorno a ellos a través de paredes adiabáticas. Ambos sistemas pueden estar en estados diferentes y el cambio que experimenta uno no tiene efecto en el otro. Ahora, si la pared que separa a los sistemas $A$ y $B$ es sustituida por una pared diatérmica, se establece un flujo de energía en forma de calor (la noción de calor la definiremos con más precisión más adelante). El intercambio de energía permite que las variables macroscópicas de ambos sistemas cambien. Los cambios ocurren hasta que en ambos sistemas las variables macroscópicas se hacen constantes. Cuando esto ocurre decimos que ambos sistemas están en equilibrio térmico. En realidad dos sistemas no tienen por qué estar en contacto para estar en equilibrio térmico. A través de un tercer sistema $C$ podemos descubrir si dos sistemas están en equilibrio térmico.

Ahora podemos enunciar la Ley cero de la Termodinámica:

Si dos sistemas $A$ y $B$ están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema $C$, entonces $A$ y $B$ están en equilibrio térmico entre ellos.

Cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico decimos que tienen la misma Temperatura. La temperatura es la propiedad de un sistema que se iguala a la de otro cuando están en equilibrio térmico. Esto nos permite hacer otro enunciado de la Ley Cero de la termodinámica:

Existe una cantidad escalar denominada Temperatura, que es una propiedad de todos los sistemas termodinámicos en equilibrio. Dos sistemas están en equilibrio térmico si y solo si sus temperaturas son iguales.

La Ley Cero nos permite construir termómetros para la medición de la temperatura. Para ello necesitamos una sustancia que tenga una propiedad que varíe con la temperatura. A esa sustancia denominaremos sustancia termométrica ($ST$) y a la propiedad que depende de la temperatura propiedad termométrica ($PT$). La $ST$ puede ser el mercurio ($Hg$) y la $PT$ el volumen. Otras $PT$s pueden ser la presión, la resistencia eléctrica, la longitud de un alambre, el calor en un filamento de un bombillo. Cada $ST$ conduce a una escala termométrica ($ET$) particular. Entonces, es preciso adoptar un estándar mediante una $ST$, una $PT$ y una $ET$.

Si nuestro termómetro estándar está basado en la medición de una $PT$, digamos $x$, tal que

$$T(x)=mx+b,$$ (1)

entonces sólo hace falta escoger dos puntos de calibración. En general, la dependencia de la temperatura con la $PT$ puede ser más complicada. Sin embargo, al menos en pequeños rangos de temperatura podemos hacer esta aproximación con suficiente precisión.