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Lei Zero da Termodinâmica

Lei Zero da Termodinâmica tem como objeto de estudo a estabilidade térmica entre os corpos a temperaturas distintas.

Termômetro digial sendo direcionado à testa de uma pessoa, uma aplicação da Lei Zero da Termodinâmica.
Os termômetros funcionam a partir da Lei Zero da Termodinâmica.
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A Lei Zero da Termodinâmica é a lei que colaborou na conceitualização da grandeza temperatura e no desenvolvimento dos termômetros, a partir dos seus estudos a respeito do equilíbrio térmico entre diferentes corpos.

Leia também: O que é calor?

Tópicos deste artigo

O que diz a Lei Zero da Termodinâmica?

A Lei Zero da Termodinâmica é a lei que fundamenta a Termodinâmica por contribuir na definição da grandeza física temperatura, que é imprecindível para compreender a primeira e a segunda leis da Termodinâmica. Em razão disso e devido ao seu desenvolvimento ter sido posterior ao das duas primeiras leis, ela foi nomeada como Lei Zero pelo físico Ralph H. Fowler (1889-1944).

Ela pode ser enunciada como:

“Se dois corpos A e B estão separadamente em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si”.

A partir desse enunciado da Lei Zero, é possível compreender que, se dois corpos estão com temperaturas iguais à de um terceiro corpo, então todos terão a mesma temperatura, estando então em equilíbrio térmico, em que não ocorre fluxo de calor de um corpo para o outro.

Para que serve a Lei Zero da Termodinâmica?

A Lei Zero da Termodinâmica é importante porque ela define a grandeza física temperatura, que tornou possível que os termômetros fossem fabricados. Ela pode ser observada em situações que se referem ao equilíbrio térmico entre os corpos, por exemplo: ao misturar águas a diferentes temperaturas, haverá troca de calor até que as águas atinjam a mesma temperatura, e ao entrar em uma água com uma temperatura mais elevada ou mais fria, em pouco tempo, o corpo se acostumará à temperatura devido às trocas de calor.

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Lei Zero da Termodinâmica e os termômetros

A Lei Zero da Termodinâmica contribuiu no desenvolvimento dos termômetros, que são equipamentos usados na medição da temperatura de qualquer corpo, vivo ou não.

Diferentes formatos e modelos de termômetros.
Diferentes formatos e modelos de termômetros.

Existem atualmente três tipos de termômetros que variam em sua constituição e funcionamento:

  • Analógicos: compostos de mercúrio;

  • Digitais: formados por um componente eletrônico na ponta que possui sensibilidade a temperaturas;

  • Digitais infravermelhos: formados por sensores infravermelhos, medem a temperatura sem a necessidade de encostar nos corpos.

Leia também: Qual a diferença entre temperatura e calor?

O que são as escalas termométricas?

As escalas termométricas são representações das temperaturas em diferentes escalas, sendo as mais empregadas as escalas Celsius, Fahrenheit e Kelvin. Temos abaixo uma comparação entre os valores de temperaturas equivalentes nessas escalas termométricas:

 Comparação entre as escalas termométricas Kelvin, Celsius e Fahrenheit.
 Comparação entre as escalas termométricas Kelvin, Celsius e Fahrenheit.

Para encontrar a equivalência de temperatura em diferentes escalas termométricas, os valores medidos das temperaturas nos pontos de ebulição e de fusão da água são marcados e comparados a um terceiro ponto do quals se deseja saber a temperatura. Para isso, foi desenvolvida a fórmula da igualdade entre as diferentes escalas termométricas:

\(\frac{T_C}5=\frac{T_F-32}9=\frac{T_K-273}5\)

  • \(T_C\) é a temperatura na escala Celsius, medida em \([°C ]\)

  • \(T_F\) é a temperatura na escala Fahrenheit, medida em \([°F ]\)

  • \(T_K\) é a temperatura na escala Kelvin, medida em \([K ]\)

Videoaula sobre a conversão entre escalas termométricas

Exercícios resolvidos sobre a Lei Zero da Termodinâmica

Questão 1

(Aprendiz de Marinheiro) Três termômetros de mercúrio são colocados num mesmo líquido e, atingido o equilíbrio térmico, o graduado na escala Celsius registra 45ºC. Os termômetros graduados nas escalas Kelvin e Fahrenheit, respectivamente, devem registrar que valores?

a) 218 K e 113 ºF

b) 318 K e 113 ºF

c) 318 K e 223 ºF

d) 588 K e 313 ºF

e) 628 K e 423 ºF

Resolução:

Alternativa B. Primeiramente, vamos converter a temperatura na escala Celsius para a temperatura da escala Kelvin utilizando a fórmula que as relaciona:

\(\frac{T_C}5=\frac{T_K-273}5\)

\(TC=TK-273\)

\(45=TK-273\)

\(TK=273+45\)

\(TK=318\ K\)

Depois, converteremos a temperatura na escalada Celsius para a temperatura da escala Fahrenheit, utilizando a fórmula que as relaciona:

\(\frac{T_C}5=\frac{T_F-32}9\)

\(\frac{45}5=\frac{T_F-32}9\)

\(9=\frac{T_F-32}9\)

\(9\cdot9=TF-32\)

\(81=TF-32\)

\(TF=81+32\)

\(TF=113\ ℉\)

Questão 2

(UERJ) Considere quatro objetos A, B, C e D. Observou-se que A e B estão em equilíbrio térmico entre si. O mesmo para C e D. Entretanto, A e C não estão em equilíbrio térmico entre si. Pode-se concluir que:

a) B e D estão à mesma temperatura.

b) B e D podem estar em equilíbrio térmico, mas também podem não estar.

c) B e D não podem estar à mesma temperatura.

d) A Lei Zero da Termodinâmica não se aplica a este caso, porque existem mais de três objetos.

e) A, B, C e D estão à mesma temperatura.

Resolução:

Alternativa C. Como os corpos A e B estão em equilíbrio térmico, os corpos C e D também estão em equilíbrio, mas os corpos A e C não estão em equilíbrio térmico, então, de acordo com a Lei Zero da Termodinâmica, os corpos B e D não poderão estar em equilíbrio térmico.

 

Por Pâmella Raphaella Melo
Professora de Física

Escritor do artigo
Escrito por: Pâmella Raphaella Melo Sou uma autora e professora que preza pela simplificação de conceitos físicos, transportando-os para o cotidiano dos estudantes e entusiastas. Sou formada em Licenciatura Plena em Física pela PUC- GO e atualmente curso Engenharia Ambiental e Sanitária pela UFG.

Gostaria de fazer a referência deste texto em um trabalho escolar ou acadêmico? Veja:

MELO, Pâmella Raphaella. "Lei Zero da Termodinâmica"; Brasil Escola. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei-zero-da-termodinamica.htm. Acesso em 20 de abril de 2024.

De estudante para estudante


Lista de exercícios


Exercício 1

(ITA) O verão de 1994 foi particularmente quente nos Estados Unidos da América. A diferença entre a máxima temperatura do verão e a mínima do inverno anterior foi de 60 °C. Qual o valor dessa diferença na escala Fahrenheit?

A) 33 °F

B) 60 °F

C) 92 °F

D) 108 °F

E) 140 °F

Exercício 2

(Vunesp) Dois copos de vidro iguais, em equilíbrio térmico com a temperatura ambiente, foram guardados um dentro do outro, conforme mostra a figura. Uma pessoa, ao tentar desencaixá-los, não obteve sucesso. Para separá-los, resolveu colocar em prática seus conhecimentos da Física Térmica.

Um copo de vidro dentro de outro copo de vidro em uma questão da Vunesp sobre lei zero da termodinâmica.

De acordo com a Física Térmica, o único procedimento capaz de separá-los é:

A) mergulhar o copo B em água em equilíbrio térmico com cubos de gelo e encher o copo A com água à temperatura ambiente.

B) colocar água quente (superior à temperatura ambiente) no copo A.

C) mergulhar o copo B em água gelada (inferior à temperatura ambiente) e deixar o copo A sem líquido.
D) encher o copo A com água quente (superior à temperatura ambiente) e mergulhar o copo B em água gelada (inferior à temperatura ambiente).

E) encher o copo A com água gelada (inferior à temperatura ambiente) e mergulhar o copo B em água quente (superior à temperatura ambiente).