Lei zero da termodinâmica: o que é e por que ela existe.

O que é a lei zero da termodinâmica

A lei zero afirma o seguinte: se dois corpos estão, cada um, em equilíbrio térmico com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si. Em outras palavras, se A tem a mesma temperatura de C, e B tem a mesma temperatura de C, então A e B têm a mesma temperatura.

Parece óbvio, e é justamente por ser tão fundamental que essa lei sustenta tudo o que vem depois. Ela é a regra que permite comparar temperaturas de forma confiável.

Equilíbrio térmico: a ideia por trás da lei

Vale começar pelo que é temperatura e o que é calor, porque a lei zero conecta os dois. Temperatura é a medida de quão agitadas estão as partículas de um corpo. Calor é energia em trânsito: só existe enquanto flui de um corpo para outro, e flui sempre do mais quente para o mais frio.

Quando dois corpos a temperaturas diferentes entram em contato, esse fluxo continua enquanto existir diferença de temperatura. No instante em que as temperaturas se igualam, o fluxo líquido cessa. Esse estado final é o equilíbrio térmico.

Repare na direção da causa: não é a igualdade de calor que define o equilíbrio, é a igualdade de temperatura. Dois corpos podem ter quantidades muito diferentes de energia e ainda assim estar em equilíbrio térmico, desde que estejam à mesma temperatura.

Por que essa lei define a temperatura

Aqui está o motivo de a lei zero ser tão importante. A transitividade é o que dá sentido à palavra temperatura. Se A está em equilíbrio com C e B também está, podemos usar C como referência comum e afirmar com segurança que A e B têm a mesma temperatura, sem nem precisar colocar A e B em contato.

É exatamente isso que permite construir uma escala. A temperatura passa a ser uma grandeza que se pode atribuir a qualquer corpo e comparar entre corpos diferentes. Sem a lei zero, ter a mesma temperatura seria uma frase sem garantia.

A lei zero e o termômetro

O termômetro é a lei zero em ação. Quando você o coloca em contato com um corpo, os dois trocam calor até atingir o equilíbrio térmico. Nesse ponto, o termômetro indica a própria temperatura, que, pela lei zero, é igual à do corpo.

É por isso que medir a febre funciona. O termômetro entra em equilíbrio com o seu corpo, e o número que ele mostra é a temperatura comum aos dois. Ele é o terceiro corpo, a referência C que torna a comparação possível.

Por que se chama lei zero

A primeira e a segunda lei da termodinâmica já estavam formuladas e numeradas quando os físicos perceberam que faltava enunciar algo ainda mais básico, o princípio do equilíbrio térmico. Como ele era pré-requisito das outras, mas as numerações já estavam ocupadas, batizaram de lei zero.

O nome, portanto, não indica menor importância. Indica que ela vem antes, na lógica, de todas as outras.

Exercício resolvido: a transitividade

A lei zero é conceitual, então o que se cobra é interpretação, não conta. O exercício abaixo é o caso mais representativo em prova.

Erros clássicos e pegadinhas de prova

Como o tema é conceitual, os erros são de interpretação. Os três mais comuns:

1. 01

   Confundir calor com temperatura

   Calor é energia em trânsito; temperatura é a medida da agitação das partículas. Corpos em equilíbrio têm a mesma temperatura, não necessariamente o mesmo calor.

   Como evitar: equilíbrio térmico é igualdade de temperatura.
2. 02

   Achar que equilíbrio é mesma energia

   Um copo de água quente e uma piscina morna podem estar à mesma temperatura, mas a piscina tem muito mais energia.

   Como evitar: compare temperaturas, não quantidades de calor.
3. 03

   Supor que o termômetro mede sem alterar nada

   O termômetro troca calor com o corpo até o equilíbrio. Em corpos muito pequenos, essa troca pode afetar a leitura.

   Como evitar: lembre que medir é entrar em equilíbrio, não observar de fora.

Perguntas frequentes sobre a lei zero