Lei zero da termodinâmica

Considere três sistemas termodinâmicos A, B e C dentro de uma caixa adiabática, mostrados na figura abaixo.

Inicialmente, eles não se encontram em equilíbrio térmico. A e B estão separados entre si por uma parede adiabática, que funciona como um isolante térmico. A e B estão separados de C por uma parede diatérmica, que funciona como condutor térmico.

Dessa forma, é esperado que o equilíbrio térmico seja atingido, fazendo com que A e B estejam, ambos, em equilíbrio com C. A pergunta agora é: estariam A e B em equilíbrio térmico entre si?

Para responder isso, separamos C de A e B por uma parede isolante e trocamos a parede que separa A de B por uma parede condutora. Um fato experimental que ocorre é: nada! Ou seja, não há nenhuma interação entre A e B. Isso significa que A e B também estão em equilíbrio térmico.

De acordo com a Lei Zero da Termodinâmica, “dois corpos em equilíbrio com um terceiro, estão em equilíbrio térmico entre si”. Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico entre si, quer dizer que possuem a mesma temperatura.

Graças à Lei Zero da Termodinâmica, podemos medir a temperatura de um corpo usando um termômetro. O termômetro, na verdade, mede sua própria temperatura, mas quando o termômetro se encontra em equilíbrio térmico com outro corpo, a temperatura dos dois é a mesma. Quando as temperaturas de dois sistemas são diferentes, eles não podem estar em equilíbrio térmico.

Seguem algumas definições de termos comuns na termodinâmica:

• Sistema termodinâmico: consiste em certa quantidade de matéria contida em um recipiente.
• Recipiente adiabático: é aquele que não permite alteração no estado termodinâmico do sistema. É um isolante térmico.
• Recipiente diatérmico: é aquele que permite alteração no estado termodinâmico. Também chamado de recipiente não-adiabático ou condutor térmico.
• Contato térmico: ocorre quando dois sistemas estão separados por uma parede diatérmica.
• Sistema isolado: é aquele cercado por paredes adiabáticas. Um sistema isolado sempre tende para um estado em que nenhuma de suas variáveis macroscópicas muda mais com o tempo.

Dois conceitos muito importantes relacionados à Lei Zero da Termodinâmica são a temperatura e o calor.

É comum, na linguagem do cotidiano, usarmos os termos “temperatura” e “calor” como sinônimos. Em Física e Engenharias, no entanto, isso não é verdade. Ambos conceitos são bem diferentes. Para entendermos a conexão entre temperatura e calor, devemos definir antes o “equilíbrio térmico”.

A temperatura está relacionada à sensação de “quente” ou “frio”. Dizemos que um corpo tem maior temperatura quando ele está “mais quente” que outro. Contudo, isso não é preciso! Corpos podem estar à mesma temperatura e causar diferentes sensações de quente ou frio.

Logo, para se usar a temperatura como um indicador do estado termodinâmico de um corpo, precisamos de uma escala precisa. Essa escala é chamada de termômetro.

Um termômetro funciona de tal forma que, quando o corpo se torna mais quente, a substância termométrica (mercúrio) se dilata e sobe no tubo, e o valor dessa variação é aferido.

Coloca-se o termômetro em contato com o corpo. A temperatura do corpo vai baixar (imperceptivelmente) e a do termômetro (mais precisamente da substância termométrica) vai aumentar. Quando o estado estacionário for atingido, ou seja, quando a temperatura do corpo e do termômetro não variarem mais, dizemos que o sistema (corpo + termômetro) atingiu o equilíbrio térmico.

Ao se colocar um corpo mais quente junto com um corpo mais frio, observa-se uma troca de energia entre os dois. Essa troca de energia leva o sistema composto ao equilíbrio térmico.

Nesse ponto, não existirá mais troca alguma. A essa “troca de energia” damos o nome de calor.

Assim, podemos definir temperatura como a grandeza física que descreve, quantitativamente, se um dado corpo está frio ou quente. Enquanto que o calor é a transferência de energia de um corpo para outro, devido a uma diferença de temperatura. Calor nunca indica a quantidade de energia que um corpo possui.