Lei zero da termodinâmica

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
Ir para: navegação, pesquisa
Ambox rewrite.svg
Esta página precisa ser reciclada de acordo com o livro de estilo (desde janeiro de 2013).
Sinta-se livre para editá-la para que esta possa atingir um nível de qualidade superior.
Leis da termodinâmica
0. Lei zero da termodinâmica
1. Primeira lei da termodinâmica
2. Segunda lei da termodinâmica
3. Terceira lei da termodinâmica

A lei zero da termodinâmica afirma que "Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si" Essa lei permite a definição de uma escala de temperatura, como por exemplo, as escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Réaumur, Rankine, Newton e Leiden.

No ano de 1853, Rankine definiu temperaturas iguais da seguinte maneira: "Duas porções de matéria são ditas como tendo temperaturas iguais se nenhuma delas tende a transferir calor a outra".[1] Isso significa que quando os corpos estão em equilíbrio térmico, não há uma diferença de energia térmica entre eles, portanto não ocorre transferência de calor.

O conceito intuitivo que temos sobre temperatura é muito subjetivo. As palavras quente e frio foram criadas para facilitar o entendimento da sensação térmica. Essa sensação varia para cada pessoa, portanto não é considerada. Estes termos servem para nos ajudar a compreender a teoria. Por exemplo, se em um dia frio tocarmos em um objeto de madeira e em um de metal, ambos à temperatura ambiente, por exemplo, teremos a impressão de que o objeto de metal está mais frio.  Isso ocorre porque, como nosso corpo não está em equilibro térmico com eles, haverá troca de energia em forma de calor entre nosso corpo e os objetos. Como o metal é melhor condutor que a madeira, o calor será transferido mais rapidamente e é essa troca rápida de energia que nos dá a impressão de que o material está mais frio. Por isso, no lugar dessas noções, a Física utiliza o conceito de temperatura.

Na primeira situação, os blocos A e B estão isolados termicamente, ou seja, não há troca de calor entre eles. Entretanto ambos podem trocar energia na forma de calor com o bloco C. Essa troca se dá enquanto os blocos não estiverem em equilíbrio térmico. Na segunda situação, a parede isolante está separando o bloco C dos outros. Embora haja uma parede de material condutor entre A e B, não ocorre troca de calor. Isso é explicado pela Lei Zero da Termodinâmica que afirma que se A e B estão em equilíbrio térmico com C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.

Quando um corpo é aquecido ou resfriado, certas características podem se modificar como por exemplo volume, comprimento ou resistência elétrica. A variação dessas características pode ser relacionada a sua variação de temperatura e a partir disso é possível criar um instrumento que meça a temperatura em uma certa escala. A de Newton tomou referências o congelamento e a temperatura do corpo humano (36,36 °C), respectivamente 0°N e 12°N. A escala de temperatura Celsius define a temperatura de solidificação da água, como sendo 0 °C e a de ebulição da água como 100 °C, quando submetidos à pressão de 1 atmosfera. Já a escala Fahrenheit, define a temperatura do gelo como 32 °F e a do vapor como 212 °F, quando submetidos à pressão de 1 atmosfera. Na escala Kelvin (escala absoluta) o ponto de fusão do gelo corresponde a 273 K e o ponto de ebulição da água corresponde a 373 K.

Imagem representando a Lei Zero da Termodinâmica

A Lei Zero como relação de equivalência[editar | editar código-fonte]

Um sistema termodinâmico está, por definição, em seu próprio estado de equilíbrio termodinâmico, ou seja, não há mudança em seu estado observável (isto é, em seu macroestado) com o tempo, e não há fluxo no sistema. Uma declaração precisa da lei zero é que a relação de equilíbrio térmico é uma Relação de equivalência em pares de sistemas termodinâmicos.[2]

Em outras palavras, pode-se dizer que se um corpo A, está em equilíbrio térmico com dois outros corpos, B e C, então B e C estão em equilíbrio térmico com o outro. Sendo assim, considera-se o equilíbrio térmico como uma relação transitiva e assume esta característica se encontra em duas situações:

  1. se ambos os sistemas estão em equilíbrio (A, B e C);
  2. e se mantém assim quando os sistemas são colocados em contato, possibilitando assim a troca de calor, mas não de trabalho ou partículas.[3]

Com isso, podemos definir uma temperatura ou uma escala termométrica.

A Lei Zero é a condição básica necessária para a existência de uma função temperatura, então não é apenas uma relação transitiva, mas também uma relação de equivalência, o que significa que é uma lei reflexiva e simétrica.

A Lei Zero recebeu esse nome porque é mais fundamental do que qualquer um dos outros. Entretanto, a necessidade de declará-lo explicitamente como uma lei não foi percebida até a primeira metade do século XX, bem depois que as primeiras três leis já estavam em uso, por isso a numeração ‘zero’. Ainda há discussão sobre seu status em relação às outras três leis.[4]

Significado físico da instrução usual da lei zero[editar | editar código-fonte]

Com freqüência o conceito de temperatura se associa com o que esta quente ou frio,  se sente um objeto quando se toca. Dessa forma , os sentidos proporcionam uma indicação qualitativa da temperatura. Contudo, nossos sentidos não são confiáveis e freqüentemente cometemos um erro. [5]

Por exemplo, se for removido de uma geladeira um tabuleiro de metal com gelo e uma caixa de legumes congelados, sentiremos a bandeja mais fria que a caixa com legumes, mesmo que ambos estejam a mesma temperatura. Sente-se diferença entre os dois objetos porque o metal transfere energia para uma extensão maior do que o papelão. O que é necessário é um método confiável e reprodutível para medir a temperatura, se esta quente ou frio, em vez de a velocidade de transferência de energia. Os cientistas desenvolveram uma variedade de termômetros para fazer tais medições. Ao longo do tempo dois objetos a diferentes temperaturas iniciais chegam a qualquer temperatura intermediária quando colocados em contato um com o outro. Por exemplo, quando um recipiente com água quente e um com  água fria são misturados, a temperatura final da mistura é em algum lugar entre as iniciais quentes e as iniciais frias. Da mesma forma, quando se deixa cair um cubo de gelo em uma  xícara de café quente, o cubo de gelo derrete e a temperatura do café diminui. Pense em dois objetos que são colocados em um recipiente isolado de tal forma que interagem um com o outro, mas não com a atmosfera. Se os objetos se encontram a diferentes temperaturas, entre eles existe  transferência de energia, mesmo que no início não estejam em contato físico mútuo. Os Mecanismos de transferência de energia, são o calor e a radiação eletromagnética. Para finalizar esta discussão, considerem que se dois objetos estão em contato térmico mútuo, eles podem trocar energia entre sí por tais processos, devido a uma diferença de temperatura. [5]

Equilíbrio térmico é uma situação em que dois objetos não trocam energia, seja por calor ou radiação eletromagnética, se entrarem em contato térmico. Considere dois objetos, A e B, que não estão em contato térmico, e um terceiro objeto C, que é um termômetro. Você quer determinar se A e B estão em equilíbrio térmico. O termômetro (objeto C) é primeiramente colocado em contato com o objeto A até que se atinge o equilíbrio térmico. A partir desse tempo, a leitura do termômetro permanece constante e gravado. Em seguida, o termômetro é removido  do objeto A e é colocado em contato térmico com o objeto B. Novamente a leitura é registada depois de atingir o equilíbrio térmico. Se as duas leituras são os mesmas, os objetos A e B estão em equilíbrio térmico entre si. Se eles forem colocados em contato mútuo, nenhuma troca de energia haverá entre eles[5].

Estes resultados se resumem no que é conhecido como zero lei da termodinâmica:

Se os objetos de A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro objeto C, neste caso, A e B estão em equilíbrio térmico um com o outro.

Referências

  1. Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854, Springer, New York, ISBN 0-387-90403-4, page 262.
  2. Lieb, E.H., Yngvason, J. (1999). The physics and mathematics of the second law of thermodynamics, Physics Reports, 310: 52.
  3. Halliday, D., Krane K. S. Física 2. 5 ed. Editora LTC.
  4. Gaspar, A. Física: série Brasil. 1ª ed. Editora: Ática.
  5. a b c Serway, Jewett; Fundamentos de Física para Cientistas e Engenheiros – Volume 1 – 7ª edição.Editora Cengage.

[1]

Bibliografia[editar | editar código-fonte]

  • Halliday, Resnick e Walker; Fundamentos de Física – Volume 2 - 8ª edição
  • Sears e Zemansky; Física II – Termodinâmica e Ondas - 10ª edição
  • Tipler, Paul A; Física - Volume 1 - 5ª edição, página 597
  • Serway, Jewett; Fundamentos de Física para Cientistas e Engenheiros – Volume 1 – 7ª edição
Ícone de esboço Este artigo sobre Termodinâmica é um esboço. Você pode ajudar a Wikipédia expandindo-o.
  1. Erro de citação: Código <ref> inválido; não foi fornecido texto para as refs de nome :0