A Lei Zero da Termodinâmica

kelvins (290 K). A Fig. 18-1 mostra a temperatura em kelvins de alguns objetos estudados pelos físicos.

Quando o universo começou, há 13,7 bilhões de anos, sua temperatura

era da ordem de 1039 K. Ao se expandir, o universo esfriou e hoje a temperatura média é de aproximadamente 3 K. Aqui na Terra, a temperatura é um pouco mais alta porque vivemos nas vizinhanças de uma estrela. Se não fosse o Sol, também estaríamos a 3 K (ou melhor, não existiríamos).

Figura 18-1  As temperaturas de alguns objetos na escala Kelvin. Nessa escala logarítmica, a temperatura –∞ T = 0 corresponde a 10 e, portanto, não pode ser indicada.

A Lei Zero da Termodinâmica As propriedades de muitos objetos mudam consideravelmente quando são submetidos a uma variação de temperatura. Eis alguns exemplos: quando a temperatura aumenta, o volume de um líquido aumenta; uma barra de metal fica um pouco mais comprida; a resistência elétrica de um fio aumenta e o mesmo acontece com a pressão de um gás confinado. Quaisquer dessas mudanças podem ser usadas como base de um instrumento que nos ajude a compreender o conceito de temperatura.

A Fig. 18-2 mostra um instrumento desse tipo. Um engenheiro habilidoso

poderia construí-lo usando quaisquer das propriedades mencionadas no parágrafo anterior. O instrumento dispõe de um mostrador digital e tem as seguintes características: quando é aquecido (com um bico de Bunsen, digamos), o número do mostrador aumenta; quando é colocado em uma geladeira, o número diminui. O instrumento não está calibrado e os números não têm (ainda) um significado físico. Esse aparelho é um termoscópio, mas não é (ainda) um termômetro.

Suponha que, como na Fig. 18-3a, o termoscópio (que vamos chamar de

corpo T) seja posto em contato com outro corpo (corpo A). O sistema inteiro está contido em uma caixa feita de material isolante. Os números mostrados pelo termoscópio variam até, finalmente, se estabilizarem (digamos que a leitura final seja “137,04”). Vamos supor, na verdade, que todas as propriedades mensuráveis do corpo T e do corpo A tenham assumido, após certo tempo, um valor constante. Quando isso acontece, dizemos que os dois corpos estão em equilíbrio térmico. Embora as leituras mostradas para o corpo T não tenham sido calibradas, concluímos que os corpos T e A estão à mesma temperatura (desconhecida).

Suponha que, em seguida, o corpo T seja posto em contato com o corpo

B (Fig. 18-3b) e a leitura do termoscópio seja a mesma quando os dois corpos atingem o equilíbrio térmico. Isso significa que os corpos T e B estão à mesma temperatura (ainda desconhecida). Se colocarmos os corpos

A e B em contato (Fig. 18-3c), eles já estarão em equilíbrio térmico? Experimentalmente, verificamos que sim.

O fato experimental ilustrado na Fig. 18-3 é expresso pela lei zero da

termodinâmica:

Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com

um terceiro corpo T, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.

Figura 18-2  Um termoscópio. Os números aumentam quando o dispositivo é aquecido e diminuem quando o dispositivo é resfriado. O sensor térmico pode ser, entre outras coisas, um fio cuja resistência elétrica é medida e indicada no mostrador.

Em uma linguagem menos formal, o que a lei zero nos diz é o seguinte:

“Todo corpo possui uma propriedade chamada temperatura. Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, suas temperaturas são iguais, e vice-versa.” Podemos agora transformar nosso termoscópio (o terceiro corpo T) em um termômetro, confiantes de que suas leituras têm um significado físico. Tudo que precisamos fazer é calibrá-lo.

Figura 18-3  (a) O corpo T (um termoscópio) e o corpo A estão em equilíbrio térmico. (O corpo S é um isolante térmico.) (b) O corpo T e o corpo B também estão em equilíbrio térmico e produzem a mesma leitura do termoscópio. (c) Se (a) e (b) são verdadeiros, a lei zero da termodinâmica estabelece que o corpo A e o corpo B também estão em equilíbrio térmico.