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.
Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro, então eles estão em equilíbrio térmico entre si.
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 com C. 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.
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.
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 escala 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.
O significado físico da lei foi expressado por Maxwell nas seguintes palavras: “Todo calor é do mesmo tipo”. Por essa razão, um outro ditado desta lei é “Todas as paredes diatérmicas são equivalentes”.
A Lei Zero da Termodinâmica e a Lei da Conservação da Energia são conceitos fundamentais em física e termodinâmica, mas abordam aspectos diferentes.
Embora essas leis se apliquem a diferentes aspectos da física, há uma relação indireta entre elas. Em sistemas termodinâmicos, a conservação de energia é uma consequência natural da aplicação das leis da termodinâmica, que incluem a Lei Zero, bem como a Primeira e a Segunda Leis da Termodinâmica. A temperatura, que é uma propriedade fundamental relacionada à Lei Zero, pode influenciar as trocas de energia em um sistema.
Em resumo, a Lei Zero da Termodinâmica lida com a temperatura e o conceito de equilíbrio térmico, enquanto a Lei da Conservação da Energia trata da constância da energia total em um sistema isolado. Ambas são fundamentais para compreender o comportamento dos sistemas físicos.
A relação entre a Lei Zero da Termodinâmica e o equilíbrio termodinâmico é que a Lei Zero fornece a base para definir a temperatura e, portanto, para determinar quando dois sistemas atingiram o equilíbrio térmico. Se um sistema A está em equilíbrio térmico com um sistema C, e um sistema B também está em equilíbrio térmico com o sistema C, então, pela Lei Zero, os sistemas A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
Essa lei é crucial para estabelecer a medida da temperatura e permitir a construção de escalas termométricas, como a escala Celsius ou Kelvin. Ela é a base para a compreensão do comportamento térmico dos sistemas físicos e é uma das pedras angulares da termodinâmica.