Soğuk ve sıcak kavramlarını yakından bilmemize rağmen, sıcaklığın tam bir tanımını yapmak kolay değildir. Vücut duyularımıza dayanarak, sıcaklık düzeyini dondurucu soğuk, soğuk, ılık, sıcak, ateş gibi ve benzeri sözcüklerle göreceli olarak ifade edebiliriz. Fakat duyularımıza dayanarak sıcaklıklara sayısal değerler vermemiz olanak dışıdır. Ayrıca duyularımız bizi yanıltabilir. Örneğin aynı sıcaklıkta olmalarına rağmen metal bir iskemleye oturduğumuzda tahta bir iskemleye oranla daha soğuk olduğunu hissederiz.
Fakat maddelerin bazı özeliklerinin sıcaklıkla, tekrarlanabilir ve tahmin edilebilir bir biçimde değişmesi, hassas sıcaklık ölçümleri yapabilmemize olanak sağlar. Örnek olarak halk arasında derece diye bilinen cıvalı termometre alınırsa, ölçümün cıvanın sıcaklıkla genişleme olgusuna dayandığı görülür. Sıcaklık, sıcaklığa bağımlı daha başka özelikler yardımıyla da ölçülebilir.
Masada bırakılan bir bardak çayın zamanla soğuduğu, bir şişe soğuk gazozun ise zamanla ısındığı gözlediğimiz bir gerçektir. Başka bir deyişle, bir cisim farklı sıcaklıkta bir başka cisimle bir araya getirildiği zaman, yüksek sıcaklıktaki cisimden diğerine her iki cismin sıcaklığı eşitlenene kadar ısı geçişi olur (Şekil 1). Bu noktada ısı geçişi son bulur ve cisimler ısıl dengede olurlar. Isıl denge için tek koşul sıcaklıkların eşit olmasıdır.
Termodinamiğin sıfırıncı yasası iki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olmaları durumunda, kendi aralarında da ısıl dengede olacaklarını belirtir. Bu basit olgunun termodinamiğin temel yasalarından biri sayılması garipsenebilir, fakat termodinamiğin diğer yasalarıyla kanıtlanması mümkün olmadığından ayrı bir yasa olarak ele alınması gerekir. Ayrıca sıcaklık ölçüm sonuçlarının gerçekliği bu yasaya dayanır. Üçüncü cisim bir termometre olarak alınırsa, sıfırıncı yasa şu şekilde yazılabilir: Sıcaklıkları aynı değer olarak ölçülen iki cisim birbirleriyle temas etmeseler de ısıl dengededirler.
Sıfırıncı yasa ilk olarak 1931 yılında R. H. Fowler tarafından ortaya konmuştur. Adından da görüleceği gibi, temel bir fizik ilkesi olarak değeri, birinci ve ikinci yasaların ortaya konmasından yarım yüzyılı aşkın bir süre sonra anlaşılabilmiştir. Birinci ve ikinci yasalardan önce gelmesi gerektiği için adı sıfırıncı yasa diye konmuştur.
Sıcaklık Ölçekleri
Sıcaklık değerlerinin ortak bir dille ifade edilebilmesi için sıcaklık ölçeklerine veya skalalarına gerek duyulur. Günümüze kadar değişik sıcaklık ölçekleri kullanılmıştır. Tüm sıcaklık ölçekleri suyun donma ve kaynama noktaları gibi, kolayca elde edilebilir sıcaklık değerlerine dayanır. Bu değerlere sırasıyla donma noktası ve buhar noktası adı da verilir. Buz noktası bir atmosfer basınçtaki doymuş havayla su-buz karışımının denge halinde bulunduğu sıcaklıktır. Buhar noktası ise bir atmosfer basınçtaki doymuş sıvı buhar karışımı suyun sıcaklığıdır.
Günümüzde SI birim sisteminde kullanılan sıcaklık ölçeği Celcius ölçeğidir. Daha önce Santigrad (Centigrade) ölçeği olarak bilinen bu ölçek, 1948 yılından başlayarak, ölçeği bulan isveçli uzay bilimcisi A. Celcius’un (1701-1744) adıyla anılmıştır. İngiliz birimlerinde kullanılan sıcaklık ölçeği Fahrenheit ölçeğidir. Alman deney aleti yapımcısı G. Fahrenheit’m (1686-1736) adıyla anılmaktadır. Celcius ölçeğinde buz ve buhar noktalarına sırasıyla 0 ve 100 °C değerleri verilmiştir. Buz ve buhar noktaları Fahrenheit ölçeğinde sırasıyla 32 ve 212 °F değerlerini alır. Bu ölçekler çoğu zaman iki noktalı ölçekler diye adlandırılır.
Termodinamikte, madde veya maddelerin özeliklerinden bağımsız bir sıcaklık Ölçeğinin kullanılması istenir. Bu tür bir sıcaklık ölçeği, termodinamiğin ikinci yasasıyla ilişkili olarak geliştirilen termodinamik sıcaklık ölçeğidir. SI birimlerinde termodinamik sıcaklık ölçeği, Lord Kelvin’in (1824-1907) adıyla anılan Kelvin ölçeğidir. Bu ölçekte sıcaklık birimi kelvin’dir ve K ile (°K değil) gösterilir. Kelvin ölçeğinde en düşük sıcaklık 0 K’dir. Alışılagelmiş soğutma yöntemlerinin dışında yöntemler kullanarak bilim adamları mutlak sıfır kelvin sıcaklığına yakın değerler elde edebilmişlerdir (1989 yılında 0.000000002 K).
İngiliz birim sisteminde termodinamik sıcaklık ölçeği, William Rankine’in (1820-1872) adıyla anılan Rankine ölçeğidir. Bu ölçekte sıcaklık birimi rankin olup, kısaltılmış olarak R ile gösterilir.
Kelvin ölçeği ile eşdeğer bir sıcaklık ölçeği de mükemmel gaz sıcaklık ölçeğidir. Bu ölçekte sıcaklıklar sabit-hacimli gaz termometresi ile ölçülür. Bu termometre düşük basınçta bir gazla doldurulmuş sabit hacimli bir kaptır. Kullanılan gaz genellikle hidrojen veya helyumdur. Termometre, düşük basınçlarda, hacmi sabit olan bir gazın sıcaklığının basınçla orantılı olduğu ilkesine dayanır. Başka bir deyişle, yeterince düşük basınçlarda sabit hacimde bir gazın sıcaklığı basınçla doğrusal bir değişim gösterir. Bu durumda gazın sıcaklığı ve basıncı arasındaki ilişki aşağıda verilmiştir.
Burada a ve b gaz termometresi için deneysel olarak belirlenmiş katsayılardır, a ve b belirlendikten sonra ortamın sıcaklığı, gaz termometresini ortama daldırıp, ısıl denge sağlandığında gaz basıncını ölçerek yukarıdaki bağıntıdan hesaplanır.