Lei zero da termodinâmica

Licenciatura em Física (UNESP, 2010)

Quando se trata de temperatura, a sensação do ser humano é muito imprecisa. Um exemplo é uma pessoa que caminha descalço sobre um carpete e em seguida sobre um piso de cerâmica. Embora ambos estejam na mesma temperatura, a sensação é de que o carpete é mais quente que a cerâmica, enquanto que na verdade a taxa de transferência de calor em relação à cerâmica é maior do que a do carpete.

Esta preocupação em como efetuar medidas de temperatura foi o incentivo para que se chegassem a Lei Zero da Termodinâmica. Ela surgiu posteriormente às primeiras leis, mas devido a sua importância na fundamentação destas, ela é chamada de "Zero", a fim de vir antes das demais. Contudo, antes de enunciá-la, vamos a definição de alguns conceitos importantes, como o da própria temperatura.

A temperatura é definida como o grau de agitação das partículas de um corpo, sendo este grau de agitação caracterizado pelo aumento da energia cinética das partículas. Já o calor é a taxa de energia transferida entre dois corpos a temperaturas diferentes. Supondo que dois corpos tenham terminado a transferência de calor entre si, isso implica que ambos estão a mesma temperatura, logo estão em equilíbrio térmico.

Se puder existir transferência de calor entre dois objetos, dizemos que eles estão em contato térmico. Neste caso, quando há um contato térmico, se houver uma parede que os separe, ela é chamada parede diatérmica, pois permitirá a passagem de calor. Caso contrário, chama-se parede adiabática, pois não permitirá o fluxo de calor e não ocorrerá, dessa forma, o contato térmico.

Diante das definições apresentadas, há três tipos de ambientes em que os objetos em estudo podem estar:

  • sistema aberto: é permitida a troca de energia e de massa com a vizinhança. Exemplo: um copo de água aberto.
  • sistema fechado: não troca massa, apenas energia com a vizinhança, possuindo paredes diatérmicas e um contato térmico com o meio externo. Exemplo: uma garrafa plástica de água fechada.
  • sistema isolado: não troca massa nem energia, não havendo nenhuma troca ou qualquer interação com a vizinhança. Suas paredes são adiabáticas e não há contato térmico. Exemplo: Uma garrafa térmica de café (é o exemplo do dia-a-dia que mais se aproxima, mesmo não sendo um sistema perfeitamente isolado de fato, pois ainda existem pequenas trocas de calor com o ambiente).

Sendo assim, para entender a Lei Zero, considere o seguinte experimento, em que há dois corpos A e B, cada um em seu sistema isolado. Queremos saber se ambos estão com a mesma tempertura, mas sem colocá-los em contato, ou seja, verificaremos o equilíbrio térmico sem o contato térmico entre A e B.

Para isso, é colocado o corpo A em contato com o corpo C, nota-se que ambos estão em equilíbrio térmico entre si. Posteriormente, é colocado o corpo C em contato com o corpo B e também nota-se que ambos estão em equilíbrio térmico entre si. Desta forma, se A e C estão em equilíbrio térmico, então a temperatura de A (TA) é igual a temperatura de C (TC) e, se C e B estão em equilíbrio térmico, então a temperatura de C (TC) é igual a temperatura de B (TB). Ou seja,

TA = TC

e

TC = TB

Logo,

TA = TC = TB

TA = TB

É com este resultado que enunciamos a Lei Zero da Termodinâmica:

"Dois corpos (ou sistemas) em equilíbrio térmico com um terceiro corpo (ou sistema) estão em equilíbrio térmico entre si."

Os termômetros fazem o papel do corpo C hoje em dia, por isso a importância desta lei.

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