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Lei zero da Termodinâmica

Lei zero da Termodinâmica é a lei que estuda a troca de calor entre os corpos até atingirem o equilíbrio térmico.
Ilusração representando a transferência de calor entre dois corpos, que comprova a lei zero da Termodinâmica.
A transferência de calor entre os corpos comprova a lei zero da Termodinâmica.

A lei zero da Termodinâmica é a lei que diz respeito ao equilíbrio térmico entre os corpos, contribuindo para a definição da temperatura e possibilitando a medição da temperatura por meio dos termômetros. Em razão disso, ela é uma das leis fundamentais da Termodinâmica.

Leia também: Leis de Newton — um conjunto de leis que fundamentam a Mecânica Clássica

Resumo sobre a lei zero da Termodinâmica

  • Lei zero da Termodinâmica é a lei que estuda a troca de calor entre o corpos até atingirem o equilíbrio térmico.

  • A lei zero da Termodinâmica é aplicada na  produção dos termômetros.

  • Os termômetros são equipamentos que medem a temperatura e podem ser analógicos, digitais ou digitais infravermelhos.

  • As escalas termométricas são usadas na conversão de unidades de medida de uma temperatura em outra. As mais estudadas são Celsius, Fahrenheit e Kelvin. 

  • As leis da Termodinâmica são a lei zero, a primeira lei, a segunda lei e a terceira lei.

  • A primeira lei da Termodinâmica é aquela que fala sobre a conservação de energia aplicada nos sistemas termodinâmicos.

  • A segunda lei da Termodinâmica é aquela que fala sobre a entropia e as máquinas térmicas.

  • A terceira lei da Termodinâmica é aquela que fala do zero absoluto.

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O que diz a lei zero da Termodinâmica?

A lei zero da Termodinâmica diz que se dois corpos que apresentam a mesma temperatura, estão em contato com um terceiro corpo, então todos terão a mesma temperatura e não haverá troca de calor entre eles, caracterizando o equilíbrio térmico.

Ela pode ser enunciada como:

Dois sistemas em equilíbrio térmico com um terceiro estão em equilíbrio térmico entre si.|1|

A lei zero da Termodinâmica foi nomeada dessa forma pelo físico Ralph H. Fowler (1889-1944), que a considerava a lei fundamental da Termodinâmica, já que por meio dela foi possível conceitualizar a grandeza física temperatura, que é necessária para a primeira e a segunda lei da Termodinâmica.

Contudo, como ela foi formulada em meados de 1930, posteriormente às duas primeiras leis da Termodinâmica, não teria como ela ser chamada de primeira lei da Termodinâmica, sendo então criada a nomenclatura “lei zero”.

Aplicação da lei zero da Termodinâmica

A principal aplicação da lei zero da termodinâmica é a fabricação dos termômetros, que medem a temperatura dos corpos. 

Termômetros

Os termômetros são aparatos que servem para medir a temperatura de um corpo, seja uma pessoa, animal, alimento, objeto etc.

Podem ser classificados de acordo com seu funcinamento e composição, sendo analógicos quando feitos com mércurio, digitais quando feitos com um componente eletrônico com sensibilidade de temperatura que fica na sua extremidade ou digitais infravermelhos quando possuem sensores infravermelhos, não precisando haver contato com o corpo.

Escalas termométricas

As escalas termométricas são escalas utilizadas para medir a temperatura dos corpos, sendo as mais estudadas as de Celsius, Fahrenheit e Kelvin. No Brasil, medimos a temperatura na escala Celsius; nos Estados Unidos da América, mede-se usando a escala Fahrenheit; já nos laboratórios físicos, os experimentos são medidos na escala Kelvin.

Representação das escalas termométricas, utilizadas para medir a temperatura, definida a partir da lei zero da Termodinâmica.
 As diferentes medições nas escalas termométricas.

Em razão disso, muitas vezes é desejável encontrar temperaturas equivalentes em outras escalas.  Para isso, são fixados os pontos de ebulição e de fusão da água, como na imagem acima, que contribuem para o desenvolvimento da seguinte igualdade:

\(\frac{T_C}{5}=\frac{T_F-32}9=\frac{T_K-273}5\)

  • \(T_C \) → temperatura na escala Celsius, medida em \([°C ]\).

  • \(T_F \) → temperatura na escala Fahrenheit, medida em \([°F ]\).

  • \(T_K \) → temperatura na escala Kelvin, medida em \([K ]\).

Quais são as leis da Termodinâmica?

As leis da Termodinâmica são aquelas que fundamentam a área da Termodinâmica, que estuda as relações entre pressão, volume, temperatura, calor, energia e trabalho. São elas:

  • Lei zero da Termodinâmica: trata do equilíbrio térmico.

  • Primeira lei da Termodinâmica: estabelece que ao receber calor, um sistema termodinâmico realiza trabalho e aumenta a sua energia interna. Já se o sistema doar calor, ele realizará trabalho e diminuirá a sua energia interna. Em razão disso, a energia não é criada nem destruída, apenas transformada, caracterizando a conservação da energia.

  • Segunda lei da Termodinâmica: trata do rendimento e funcionamento das máquinas térmicas, além de definir a grandeza física da entropia.

  • Terceira lei da Termodinâmica: aborda a impossibilidade e os efeitos de atingir a temperatura de zero absoluto.

Veja também: Quais são as transformações termodinâmicas?

Exercícios resolvidos sobre lei zero da Termodinâmica

Questão 1

(EsPECx) Um termômetro digital, localizado em uma praça na Inglaterra, marca a temperatura de 10,4 °F. Essa temperatura, na escala Celsius, corresponde a

A) -5 °C

B) -10 °C

C) -12 °C

D) -27 °C

E) -39 °C

Resolução:

Alternativa C

Para convertermos a temperatura da escala Fahrenheit para a escala Celsius, utilizaremos a fórmula que as relaciona:

\(\frac{T_C}5=\frac{T_F-32}9\)

\(\frac{T_C}5=\frac{10,4-32}9\)

\(\frac{T_C}5=\frac{-21,6}9\)

\(\frac{T_C}5=-2,4\)

\(T_C=-2,4\cdot5\)

\(T_C=-12\ ℃\)

Questão 2

(Uerj) Considere quatro objetos A, B, C e D. Observou-se que A e B estão em equilíbrio térmico entre si. O mesmo para C e D. Entretanto, A e C não estão em equilíbrio térmico entre si. Pode-se concluir que:

A) B e D estão à mesma temperatura.

B) B e D podem estar em equilíbrio térmico, mas também podem não estar.

C) B e D não podem estar à mesma temperatura.

D) A lei zero da Termodinâmica não se aplica a esse caso, porque existem mais de três objetos.

E) A, B, C e D estão à mesma temperatura.

Resolução:

Alternativa C

Como a dupla A e B está em equilíbrio térmico, a dupla C e D também está em equilíbrio. A e C não estão em equilíbrio térmico. De acordo com a lei zero da Termodinâmica, B e D não podem estar em equilíbrio térmico, ou seja, na mesma temperatura.

Notas

|1| NUSSENZVEIG, Herch Moysés. Curso de física básica: Fluidos, Oscilações e Ondas, Calor (vol. 2). Editora Blucher, 2015.

Publicado por Pâmella Raphaella Melo

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