Resumo de Física - Lei zero da termodinâmica

A lei zero da termodinâmica estabelece como acontecem as trocas de calor entre os corpos. Ou seja, está relacionada com a energia interna dos materiais.

No momento em que um corpo é aquecido ou resfriado, certas mudanças ocorrem em suas propriedades físicas. Por exemplo, a maior parte dos sólidos, líquidos e gases aumentam seu volume quando aquecidos.

Diante disso, a lei zero da termodinâmica afirma que "se dois corpos estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro, estarão em equilíbrio térmico entre si".

Aplicação da lei zero da termodinâmica

Após colocar um termômetro em uma pessoa e deixar por determinado tempo, o aparelho de medição alcançará um valor correspondente com a temperatura dela. Por dedução, o termômetro e o corpo do indivíduo estarão em equilíbrio térmico entre si, pois terão o mesmo valor numérico de temperatura. O que aconteceu fisicamente?

O mercúrio presente no termômetro tem valor alto de coeficiente de dilatação térmica. Em outras palavras, ele aumenta de volume à menor variação de temperatura. O volume do mercúrio aquecido se expande em um tubo capilar que está no interior do dispositivo de medição.

Com base na calorimetria, por causa da condução térmica alta e calor específico baixo, em condições normais do clima terrestre, o termômetro atinge rapidamente o equilíbrio térmico, mostrando a temperatura do corpo com o qual entrou em contato.

Para analisar a atuação da lei zero da termodinâmica em outros casos,  basta saber que os corpos de maior temperatura possuem maior energia térmica. Logo, quando um corpo de menor energia térmica é colocado em contato com este, a tendência é de que a energia térmica flua, em parte, do corpo de maior temperatura até o corpo de menor temperatura.

No momento em que os dois corpos atingem a mesma temperatura, termina a troca de energia. No entanto, cabe destacar que cada material tem características diferentes. Por isso, na maioria das situações, a temperatura de equilíbrio não corresponde com a média das temperaturas envolvidas no sistema observado.

Em suma, a lei zero contém três ideias consolidadas:

  • A existência de uma variável, no caso a temperatura;
  • A 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, a chamada equação de estado.

Na termodinâmica, a equação de estado é uma relação matemática que descreve o estado da matéria sob um dado conjunto de condições físicas.

Breve contexto histórico

A lei zero da termodinâmica foi a última lei a ser introduzida na literatura dos sistemas termodinâmicos. No entanto, os pensamentos sobre o “quente” e o “frio” sempre fizeram parte das experiências sensoriais do homem.

Diante das indagações físicas, dois dos primeiros cientistas que apresentaram ideias sobre os fenômenos foram o Leonardo Da Vinci (1452-1519)  e o Galileu Galilei (1564- 1642). Em contato com um terceiro corpo, eles sabiam que dois ou mais corpos se misturavam até atingir a mesma condição. No contexto dos cientistas, esse terceiro elemento era o ar.

E quando o fenômeno ganhou o nome de lei zero da termodinâmica? A lei foi referenciada dessa forma por Ralph H. Fowler (1889-1944), físico inglês. No século XX, após um longo período desenvolvimento e teste, ele chegou ao postulado da lei zero.

Como a termodinâmica já tinha a primeira e a segunda lei formuladas, o trabalho de Fowler passou a ser conhecido como lei zero, dada a importância de servir como pilar aos outros estudos do segmento.

Curiosidades sobre a sensação térmica

Ciente que as leis da termodinâmica permitem a compreensão de aspectos relacionados com o “quente” e o “frio”, é interessante notar algumas curiosidades sobre a sensação térmica:

  • Ela depende do vento, pois tem relação com a velocidade com que uma massa de ar flutua sobre a pele;
  • Quando uma fina camada de água adere na pele, ela absorve uma quantidade significativa de calor, por isso o corpo molhado gera a sensação de frio;
  • Na Antártica, a temperatura é capaz de bater os -70 °C e criar uma sensação térmica de -101 °C. Isso ocorre por causa dos ventos, que podem alcançar 120 quilômetros por hora.

Como última curiosidade, o termo sensação térmica foi popularizado após a Segunda Guerra Mundial, quando as tropas alemãs sucumbiram ao inverno da Rússia.

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