Adesso che abbiamo il nostro termometro, siamo pronti a fare la prima grande scoperta: se isoliamo un sistema, non permettendogli in nessun modo di scambiare energia con l'esterno, e aspettiamo un tempo sufficiente, troveremo tutte le sue componenti alla medesima temperatura.
Diciamo in questo caso che il sistema ha raggiunto "l'equilibrio termico". L'uguaglianza tra le temperature delle componenti è il criterio per capire se un sistema ha raggiunto l'equilibrio termico. Siccome l'uguaglianza è una relazione transitiva, vale la seguente legge, nota come principio zero della termodinamica:
"se i corpi A e B sono entrambi in equilibrio termico con un terzo corpo C, allora lo sono anche fra loro"
Il numero zero è dovuto al fatto che è stato enunciato dopo altri tre principi ma che gerarchicamente viene prima di questi.
E' interessante notare che il termometro non riflette esattamente ciò che percepiamo con i nostri sensi. Infatti, noi percepiamo il metallo più freddo del legno anche quando i due materiali sono, in base alla definizione di temperatura che abbiamo appena dato, alla stessa temperatura. Dal punto di vista della fisica, il termometro è molto più utile dei nostri sensi, proprio perché fornisce un criterio per verificare il raggiungimento dell'equilibrio termico, a differenza del nostro tatto.