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Lei zero da termodinâmica

Lei zero da termodinâmica

A lei zero da termodinâmica afirma que "se dois sistemas estão em equilíbrio térmico com um terço, eles também estão em equilíbrio um com o outro". Também é conhecido como o princípio zero da termodinâmica.

Se A está em equilíbrio com B e A também está em equilíbrio térmico com C, podemos concluir que B está em equilíbrio térmico com C.

Diz-se que dois corpos estão em equilíbrio térmico quando suas variáveis ​​de estado não mudam com o contato. Em torno dessa idéia simples, a lei zero é estabelecida.

Curiosamente, a lei zero foi a última das leis da termodinâmica a ser introduzida. Depois de verificar que o calor é uma forma de energia que pode ser transformada em outra, a terminologia ficou conhecida como termodinâmica.

Para obter uma estrutura lógica na apresentação da termodinâmica, era necessário colocar outra lei antes daquelas que foram previamente declaradas. Assim, essa outra lei foi chamada lei zero da termodinâmica.

Com os fundamentos desta lei, podemos descobrir se dois corpos X e Y estão em equilíbrio. Para fazer isso, basta verificar se os dois corpos têm a mesma temperatura usando um termômetro.

Declaração da lei zero da termodinâmica

A afirmação da lei zero da termodinâmica diz que: "Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terço estão em equilíbrio um com o outro".

A lei zero da termodinâmica nos permite diferenciar corpos um do outro em relação ao seu "grau de aquecimento". Identificamos esse atributo, que é uma propriedade do sistema, com sua temperatura, que acaba sendo um conceito macroscópico (mensurável).

Através desses conceitos, podemos entender o funcionamento de dispositivos chamados termômetros. Termômetros são dispositivos que medem a temperatura dos corpos.

Note-se que a formulação da lei zero da termodinâmica contém três idéias firmes:

  • A existência de uma variável de estado, chamada temperatura.

  • Igualdade de temperaturas como condição para o equilíbrio térmico entre dois sistemas ou entre partes do mesmo sistema.

  • A existência de uma relação entre as variáveis ​​independentes do sistema e a temperatura, denominada equação de estado.

Exemplos da lei zero da termodinâmica

Gelo e água

Neste exemplo, colocamos um cubo de gelo e um copo cheio de água quente em uma caixa hermética. Três elementos aparecem neste experimento: gelo, água e ar da caixa.

Lei zero da termodinâmicaInicialmente, o gelo tem uma temperatura mais baixa que o ar. Então o ar dará energia ao gelo.

A água está a uma temperatura mais alta que o ar. Nessas condições, a água transfere energia para o ar.

Depois de um tempo, o gelo terá a mesma temperatura do ar. A água também terá a mesma temperatura que o ar. Ambos os elementos estarão em equilíbrio térmico com o ar. Portanto, de acordo com o princípio 0 da termodinâmica, a água e o gelo (agora já derretidos) terão a mesma temperatura.

Exemplo de termômetro

Outro exemplo que o ajudará a entender melhor o conceito de equilíbrio térmico é o do termômetro.

Considere um corpo B que consiste em um tubo com um capilar contendo mercúrio. Seus níveis de altura acima do capilar representam diferentes temperaturas.

Agora considere um corpo A. Por exemplo, o corpo humano. Se você aproximar o termômetro do corpo e deixá-lo por tempo suficiente, o termômetro atingirá o valor correspondente à temperatura do corpo.

O termômetro e o corpo humano estarão em equilíbrio térmico entre si. Portanto, eles terão o mesmo valor numérico para a propriedade de temperatura.

Conceitos para entender o princípio zero

Para entender a lei zero da termodinâmica, considere o comportamento de dois ou mais sistemas constituídos da seguinte forma.

Os sistemas A e B são separados um do outro por uma parede adiabática. Uma parede adiabática é uma parede que não permite a troca de calor.

Cada um dos dois pontos está em contato térmico com o terceiro sistema C através das paredes diatérmicas. Essas paredes permitem a troca de energia térmica. Todo o complexo é cercado por uma parede adiabática.

Nossa experiência diz que ambos os sistemas alcançarão equilíbrio térmico com o terceiro. Além disso, nenhuma mudança subsequente ocorrerá se a parede adiabática que separa A e B for substituída por uma parede diatérmica.

História da lei zero da termodinâmica

As idéias de "quente" e "frio" sempre fizeram parte das experiências sensoriais do homem. 

Dois dos primeiros cientistas a expressar essas idéias foram Leonardo Da Vinci e Galileo. Esses cientistas sabiam que, ao entrar em contato com um terceiro corpo, geralmente o ar, dois ou mais corpos em contato com ele "se misturavam de maneira apropriada até atingir a mesma condição".

Essa condição foi alcançada devido à tendência de corpos quentes difundirem sua energia para corpos mais frios. Esse fluxo de energia é chamado calor ou energia térmica. Assim, podemos perceber a tendência do calor difundir de qualquer corpo quente para um corpo mais frio em seu ambiente.

Essa transferência de calor ocorre até que nenhum dos corpos do sistema seja capaz de absorver mais calor.

Lei zero da termodinâmicaA lei zero da termodinâmica tem esse nome graças a Ralph H. Fowler (1889-1944), um grande físico inglês. No século 20, após um longo período de desenvolvimento da lei experimental, ele a considerou uma lei básica.

Sem essa lei, o conceito de temperatura não poderia ser definido e foi postulado que: "Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terço, eles estarão em equilíbrio térmico entre si".

No entanto, tornou-se necessário estruturar a apresentação da termodinâmica de maneira mais lógica. Como a primeira e a segunda leis já haviam sido formuladas, surgiu o termo lei zero.

Desde então, essa denominação tem sido usada na física.

Sumário

A lei zero da termodinâmica afirma que dois elementos que estão em equilíbrio térmico com um terceiro elemento, os dois elementos iniciais também estão em equilíbrio térmico entre si.

    Autor:

    Data de publicação: 29 de junho de 2016
    Última revisão: 31 de maio de 2020