Entre las leyes fundamentales que rigen la termodinámica, la ley cero ocupa un lugar crucial, ya que establece los conceptos fundamentales de temperatura y equilibrio térmico.
La ley cero de la termodinámica establece que "si dos sistemas que están en equilibrio térmico con un tercer sistema, también están en equilibrio entre sí". También se la conoce como principio cero de la termodinámica.
Si A está en equilibrio con B y A también está en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, podemos concluir que B está en equilibrio térmico con C.
Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al ponerse en contacto, sus variables de estado no cambian. Si no están en equilibrio térmico, experimentarán un intercambio de calor o energía y alcanzarán el equilibrio térmico.
La ley cero fue la última de las leyes de la termodinámica a ser introducida. Para obtener una estructura lógica, era necesario colocarla antes de las otras leyes.
Fórmula de la ley 0 de la termodinámica
El principio 0 de la termodinámica si los tres sistemas están en equilibrio térmico se debe complir la siguiente fórmula:
TA = TB = TC
Dónde TA,TB y TC son las temperaturas de los tres sistemas.
Origen e historia de la ley cero
La ley cero de la termodinámica se formuló como una respuesta a las preguntas sobre la medición y la comparación de temperaturas. Antes de su establecimiento, las escalas de temperatura eran arbitrarias y dependían de métodos específicos de medición. La necesidad de una base más sólida para comparar temperaturas fue un tema candente en la comunidad científica del siglo XIX.
Fue el físico alemán Gustav H. Johannsen quien formuló por primera vez la idea central de la ley cero en la década de 1860, pero no fue hasta la década de 1930 que se consolidó y se incorporó como una ley fundamental de la termodinámica.
La ley cero se llama así porque proporciona la base para la construcción de escalas de temperatura y establece un principio fundamental para la medición de la temperatura.
Ejemplos de de la ley cero
Para comprender cómo actúa la ley cero de la termodinámica proponemos tres ejemplos:
Hielo y agua
Ponemos un trozo de hielo y un vaso lleno de agua a temperatura ambiente. En este experimento aparecen tres elementos: el hielo, el agua y el vaso.
Tazas de café
Imaginemos dos tazas de café, una caliente y otra fría. Cuando se ponen en contacto, el calor fluye de la taza caliente a la taza fría hasta que ambos alcanzan la misma temperatura y están en equilibrio térmico.
Esto es un ejemplo práctico del principio cero en acción: los dos sistemas están en equilibrio térmico cuando ya no hay transferencia neta de calor entre ellos.
Ejemplo del termómetro
Otro ejemplo que ayudará a comprender mejor el concepto de equilibrio térmico es el de un termómetro.
Considera un cuerpo B que consiste en un tubo con un capilar conteniendo mercurio. Sus niveles de altura sobre el capilar representan diferentes temperaturas.
Ahora, considera un cuerpo A, por ejemplo el cuerpo humano. Si acercas el termómetro al cuerpo y lo dejas suficiente tiempo, el termómetro alcanzará el valor correspondiente a la temperatura corporal.
El termómetro y el cuerpo humano estarán en equilibrio térmico entre sí. Por lo tanto, ambos elementos alcanzan la misma temperatura.