A lei zero da termodinâmica afirma que se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, eles também estão em equilíbrio um com o outro.

A lei zero da termodinâmica. Crédito da imagem: Tim Sharp

A lei zero da termodinâmica afirma que se dois corpos estão em equilíbrio térmico com algum terceiro corpo, então eles também estão em equilíbrio um com o outro. Equilíbrio térmico significa que quando dois corpos são colocados em contato um com o outro e separados por uma barreira que é permeável ao calor, não haverá transferência de calor de um para o outro.

Em outras palavras, a lei zero significa que os três corpos têm a mesma temperatura, de acordo com a NASA. James Clerk Maxwell colocou isso talvez de forma mais simples quando disse: "Todo calor é do mesmo gênero". (Longmans, Green e Co. 1875). O mais importante é que a lei zero estabelece que a temperatura é uma propriedade fundamental e mensurável da matéria.

HISTÓRIA DA LEI ZERO DA TERMODINÂMICA

Quando a lei zero foi originalmente concebida no século 18, já existiam duas leis da termodinâmica. No entanto, essa nova lei, que apresentava uma definição formal de temperatura, na verdade substituiu as leis existentes e deveria estar no topo da lista, de acordo com a OpenStax, uma organização educacional administrada pela Rice University. Isso criou um dilema: As leis originais já eram bem conhecidas por seus números atribuídos, e renumerá-las criaria um conflito com a literatura existente e causaria uma confusão considerável. Um cientista, Ralph H. Fowler, apresentou uma solução para o dilema: Ele chamou a nova lei de "lei zero". (Cambridge University Press, 1939). (Curiosamente, o escritor de ficção científica Isaac Asimov apropriou-se da ideia de uma lei zero em seu romance de 1985 "Robots and Empire" quando descobriu que precisava adicionar uma nova lei às Três Leis da Robótica que substituiu a Primeira Lei.)

David McKee, professor de física da Missouri Southern State University, disse que a lei zero estabelece que “a temperatura de dois sistemas é a única coisa que você precisa saber para determinar em qual direção o calor fluirá entre eles”.

TERMÔMETROS

A lei zero da termodinâmica define a temperatura e torna os termômetros possíveis. Para que um termômetro seja útil, porém, ele deve primeiro ser calibrado. Todas as outras unidades básicas de medida, como comprimento, massa, tempo, etc., são definidas de acordo com um padrão preciso. Nesse caso, os cientistas não devem apenas definir uma unidade de medida, mas também o ponto inicial da escala. 

Os esforços iniciais mais notáveis para padronizar a medição de temperatura foram os do fabricante de instrumentos alemão Daniel Gabriel Fahrenheit. No início do século 18, Fahrenheit inventou os familiares termômetros de tubo de vidro usando álcool e mercúrio. Ele também inventou a escala Fahrenheit, que define os pontos de congelamento e ebulição da água em 32 graus Fahrenheit e 212 graus Fahrenheit, respectivamente, e ainda é usada até hoje, principalmente nos Estados Unidos. A maior parte do resto do mundo usa a escala Celsius, que atribui valores de 0 graus para o ponto de congelamento da água e 100 graus para seu ponto de ebulição ao nível médio do mar.

Todas as escalas de medição usadas em ciência e engenharia começam com o valor zero. O conceito de comprimento, massa ou tempo zero é relativamente fácil de entender; no entanto, a temperatura zero, ou zero absoluto, onde não há absolutamente nenhuma energia térmica, é um pouco mais difícil de entender. Isso ocorre porque tal temperatura nunca foi observada na natureza ou em laboratório, e geralmente acredita-se que nunca será; no entanto, os cientistas chegaram muito perto.

Um termômetro mostrando Fahrenheit e Celsius. Crédito da imagem: Boy_Anupong via Getty Images

A unidade de temperatura termodinâmica é o kelvin (K) e foi originalmente definida de acordo com o ponto triplo da água. O ponto triplo é definido como "a condição de temperatura e pressão sob a qual as fases gasosa, líquida e sólida de uma substância podem existir em equilíbrio", de acordo com Merriam-Webster. Embora esse padrão fosse conveniente para temperaturas ambientes, tornava incertas as medições em temperaturas muito altas e muito baixas. Assim, em 2019, o International Bureau of Weights and Measures mudou o padrão para ser baseado na constante de Boltzmann (k), que relaciona a temperatura com a energia média das partículas em uma substância. Essa definição reconhece que a temperatura é uma medida da energia média do movimento molecular, de acordo com o National Physical Laboratory do Reino Unido.

A maioria dos termômetros contém líquido ou metal que muda de volume ou forma dependendo de sua temperatura. Quando o líquido ou metal atinge o equilíbrio térmico com o objeto ou substância que está sendo medido, a propriedade sensível à temperatura do material no termômetro pode ser observada para indicar sua temperatura, de acordo com a NASA.

Outro tipo de termômetro depende da expansão térmica do metal. Novamente, o problema é como amplificar uma mudança muito pequena no tamanho para que possa ser lida em uma escala. Um método envolve uma bobina com muitos loops, de modo que mesmo uma pequena mudança no comprimento é multiplicada pelo número de loops e, portanto, é legível. Outro método explora o fato de que metais diferentes se expandem em taxas diferentes quando aquecidos. Tiras de dois metais diferentes com diferentes coeficientes de expansão; o grau em que o material se expande para uma certa quantidade de mudança de temperatura, podem ser laminadas juntas para que o conjunto enrole quando aquecido. Esse "enrolamento" pode mover uma agulha que pode ser lida em uma escala, de acordo com a Universidade Estadual da Pensilvânia. 

Outro método para medir a temperatura envolve mudanças de cor em materiais orgânicos sensíveis à temperatura. Normalmente, eles são úteis apenas para medir faixas de temperatura limitadas, como indicar febre ou monitorar a temperatura ambiente. Outro dispositivo, chamado termistor, funciona com base em mudanças na resistividade elétrica de um material semicondutor devido à sua temperatura, segundo Penn State. Esses dispositivos podem detectar mudanças de temperatura extremamente pequenas e são usados em bolômetros, que medem a radiação com base em uma mudança de temperatura; e para monitorar experimentos de laboratório. No entanto, nenhuma medição seria possível sem contar com o princípio descrito na lei zero.

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RECURSOS ADICIONAIS

• Este vídeo do CrashCourse é um explicativo colorido e animado sobre a primeira e a lei zero da termodinâmica. 
• Aprenda sobre as leis da termodinâmica com o "Grande Explicador" nesta palestra de Richard Feynman, cortesia da CalTech.
• John Horgan diz que a chamada "minus-first law" é ainda mais importante do que a lei zero da termodinâmica neste artigo de opinião da Scientific American.

BIBLIOGRAFIA

• NASA Glenn Research Center, "Equilíbrio Termodinâmico (Lei Zero)", 2021. https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo0.html 
• James Clerk Maxwell, "Teoria do Calor", Longmans, Green e Co. 1875.
• Ian T. Durham, "Ralph Fowler," St. Anselm College, março de 2001. https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Fowler/ 
• Biografia, "Isaac Asimov", abril de 2014. https://www.biography.com/writer/isaac-asimov 
• Notícias da MindMatters, "As três leis da robótica falharam com os robôs", 28 de setembro de 2019. https://mindmatters.ai/2019/09/the-three-laws-of-robotics-have-failed-the-robots/ 
• Universidade de Michigan, "As Três Leis da Robótica". http://websites.umich.edu/~engb415/literature/cyberzach/Asimov/robolaw.html 
• Enciclopédia da Biografia Mundial, "Gabriel Fahrenheit Biography". https://www.notablebiography.com/Du-Fi/Fahrenheit-Gabriel.html 
• Dicionário Merriam-Webster, "Ponto Triplo". https://www.merriam-webster.com/dictionary/triple%20point 
• International Bureau of Weights and Measures, "Folheto SI: O Sistema Internacional de Unidades (SI)", 2019. https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure 
• Laboratório Nacional de Física, "Unidades SI: kelvin (K)", 2021. https://www.npl.co.uk/si-units/kelvin 
• Harper College, "Medição de Temperatura". http://dept.harpercollege.edu/chemistry/chm/100/dgodambe/thedisk/labtech/temper.htm 
• A Universidade Estadual da Pensilvânia, "Meteorologia 3: Termômetros". http://www.meteo.psu.edu/wjs1/Meteo3/Html/temperature.htm 
• A Universidade Estadual da Pensilvânia, "Termistores NTC". https://www.me.psu.edu/sommer/me445/n11_thermistors.pdf 
• Universidade da Califórnia, Berkeley, "Por que bolômetros?" 2001. http://bolo.berkeley.edu/bolometers/introduction.html

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Referência:

LUCAS, Jim; HAMER, Ashley. What is the zeroth law of thermodynamics? Live Science, Nova York, 01, fev. 2022. Referência. Disponível em: <https://www.livescience.com/50833-zeroth-law-thermodynamics.html>. Acesso em: 04, mai. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.