Si pones en contacto una taza caliente con una cuchara de metal fría, ambos experimentan cambios. Algo se ha transferido entre ellos, y dicho flujo cesa solo cuando ya no hay tendencia a que se produzcan más cambios. La termodinámica comienza definiendo qué es lo que se transfiere, qué se mide y qué significa que un sistema haya dejado de cambiar.
Dos objetos están en contacto térmico cuando la energía puede transferirse entre ellos debido a una diferencia de temperatura; por ejemplo, mediante conducción a través de una superficie compartida. Cuando dicho intercambio concluye, los objetos alcanzan el equilibrio térmico. El equilibrio térmico implica que su estado térmico medible deja de variar con el tiempo si no se les perturba, y que no se produce una transferencia neta de energía entre ellos a causa de la diferencia de temperatura.
Un termómetro es un tercer sistema que se pone en contacto térmico con otro objeto. La premisa fundamental es que el termómetro sea lo suficientemente pequeño, o esté acoplado de forma lo bastante débil, como para no alterar significativamente el estado de equilibrio final que pretende medir.
La ley cero de la termodinámica convierte esa noción física en una regla de coherencia para la medición de la temperatura.
Si el sistema A está en equilibrio térmico con el sistema C, y el sistema B está en equilibrio térmico con el sistema C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.
Esta ley no calcula un valor numérico. Garantiza que la temperatura es una propiedad que puede asignarse a un sistema de tal manera que una temperatura igual corresponda a un estado de equilibrio térmico.
Utiliza el escenario ilustrado para identificar qué cuerpos intercambian energía, qué deja de cambiar al alcanzarse el equilibrio y por qué el termómetro puede actuar como el sistema intermedio C.
Si A y B llegan a la misma lectura en el termómetro, la ley cero establece que comparten una temperatura común, incluso si A y B nunca llegaron a tocarse.
El calor es energía en tránsito a través de los límites de un sistema debido únicamente a una diferencia de temperatura. Su unidad en el SI es el julio, . El calor no es algo que un objeto contenga; es algo que ocurre durante un proceso.
La energía interna es la energía almacenada en los grados de libertad microscópicos de un sistema, tales como la traslación, rotación y vibración moleculares, así como las interacciones. Su unidad en el SI también es el julio (). A diferencia del calor, la energía interna es una propiedad de estado. Para un sistema en equilibrio, depende del estado, no de la trayectoria seguida para alcanzarlo.
Una forma rápida de distinguir ambas categorías es plantearse una cuestión gramatical: en física, el calor actúa como un verbo, mientras que la energía interna es un sustantivo.
Cuando dos cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto térmico y se aíslan del entorno, la energía se transfiere en forma de calor desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura hasta que ambos alcanzan una temperatura final común. Durante este proceso, la energía interna de cada cuerpo varía. El calor constituye el mecanismo de transferencia a través de los límites del sistema, mientras que el cambio en la energía interna representa lo que le sucede a cada cuerpo.
La siguiente interacción permite variar la masa, el material y las temperaturas iniciales para diferenciar dos conceptos que a menudo se confunden al iniciarse en la materia. La cantidad de calor transferido depende de los detalles específicos, mientras que la temperatura final de equilibrio depende del balance energético y de las propiedades térmicas.