Lei Zero da Termodinâmica

Por Leunice Ramme


Frio, calor, brisa, febre, inversão térmica...O que estas palavras tem em comum?
Para entender essas situações, vamos começar com a ideia de temperatura. Usamos esse termo com naturalidade, em nosso cotidiano, para indicar se alguma coisa está “fria” ou “quente”. Por exemplo, quando seguramos uma colher de metal, temos a sensação de que ela é “mais fria”quando comparada a uma colher de madeira. Podemos até pensar que a temperatura da colher de metal é menor que a temperatura da colher de madeira se confiarmos nestas sensações atribuídas ao tato. No entanto, como teremos certeza desta conclusão, se diferentes pessoas atribuem valores diversos a estas “medidas de temperatura”? Utilizar apenas o tato como critério para avaliar e atribuir um valor de temperatura aos objetos mencionados não é confiável, pois cientificamente, precisamos de certo rigor ao fazer medidas. Sensações, como quente e frio, podem nos enganar, levando a conclusões errôneas
acerca da temperatura de um objeto.

O termômetro

Tentativas mais confiáveis de medida de temperatura remontam aos antigos filósofos gregos. Galileu Galilei (1564-1642), no final do século XV, construiu o primeiro termoscópio, baseado nas idéias dos gregos, que servia apenas para comparar temperaturas de corpos diferentes.

O aparelho era formado por um bulbo esférico de vidro ligado a um tubo cilíndrico, também de vidro. O tubo era mergulhado na água e o ar de dentro desse tubo era comprimido pela água. Quando aquecido, o ar expandia empurrando para baixo a coluna de água. O aparato ainda não possuía escala, as medidas eram obtidas por comparação da variação da coluna de água.

O termoscópio de Galileu ganhou escala através do médico Santorio (1561-1636), que o utilizava para medir temperaturas de seus pacientes. A partir daí, surgiram muitas escalas, aproximadamente 60. Normalmente eram escolhidos dois pontos fixos, associados a valores numéricos, e este intervalo era dividido em partes iguais. Atualmente, na construção de uma escala, utilizamos como pontos fixos o ponto de fusão e o ponto de ebulição da água.

Desde o tempo de Galileu, já era observado que, normalmente, os diversos materiais dilatam quando aquecidos e comprimem quando resfriados. Assim, essa característica dos materiais é utilizada para comparar a variação produzida no volume com a variação da temperatura. A dilatação ou a contração servem como indicador de quanto muda a temperatura em um corpo.

A substância colocada dentro do tubo que irá dilatar-se ou comprimir-se é denominada substância termométrica, a qual, no caso do termoscópio de Galileu, foi o ar. 

E nos termômetros de hoje, qual é o líquido utilizado?

Quando efetuamos uma medida utilizando um termômetro, o que observamos não é, de fato, a temperatura, mas a variação de uma grandeza que varia com a temperatura. Por exemplo, num termômetro clínico, medimos como a altura da coluna de mercúrio varia com o aumento ou a diminuição da temperatura. Ao incluirmos este equipamento em um sistema com outros corpos, precisamos aguardar algum tempo para que a temperatura inicial mude e passe a ser indicada em outro ponto do termômetro, como já foi observado no início do texto. 


Vamos agora entender um pouco melhor as escalas termométricas.

Aqui vamos nos limitar a discutir uma escala bem conhecida em nosso país: a Celsius, muito utilizada nos termômetros que medem temperatura corporal, ou ainda, a temperatura atmosférica.

Na escala Celsius, o ponto ZERO indica a temperatura em que a água permanece em seu estado sólido (gelo) e, ao mesmo tempo, em seu estado líquido. A temperatura indicada no CEM é aquela em que coexistem o estado gasoso e líquido. Tanto a referência de ZERO como a de CEM é obtida sob a pressão de 1atm, que é o valor da pressão atmosférica adotada ao nível do mar.

Os termômetros têm sido construídos explorando as características que as substâncias exibem ao sofrerem mudanças de temperatura. Assim, ainda é utilizada a ideia do primeiro termoscópio construído por Galileu, o qual utilizava a dilatação como propriedade termométrica. É importante ressaltar que, na indústria, também são usados termômetros que se utilizam da variação de outras propriedades, como a condutividade elétrica 

Sistemas ideais X sistemas reais

Para tratarmos desse assunto, pensemos no fluxo de calor (energia térmica) de um corpo com temperatura maior para um corpo de temperatura menor. Isso poderia ser um ferro de passar roupas e uma camisa de algodão (Sistema 1), ou você e o ar que o cerca (Sistema 2).

Sistemas como os citados são chamados de “sistemas reais” e são difíceis de serem estudados, porque envolvem diversos fatores. Por exemplo, com o seu corpo e o ar que o envolve, existem outros objetos, como as roupas, ou mesmo outras pessoas recebendo ou fornecendo calor no mesmo ambiente. É preciso considerar ainda que substâncias diferentes trocam calor de formas diferentes em função do material do qual são constituídas.

Os sistemas ideais são modelos de eventos que poderiam acontecer sem que se manifestassem tantos fatores, como no caso dos sistemas reais. Com esses modelos são feitas simulações tentando facilitar a compreensão do fenômeno, através de certo controle sobre os fatores que influenciam em sua observação. Como se fosse um show musical, em que você quer observar com precisão apenas o dedilhar do guitarrista sobre as cordas. Se você pudesse, retiraria o som e a névoa de gelo seco que os envolvem e, assim, estaria exercendo um controle sobre os fatores que prejudicam sua percepção.

Desta forma, selecionaria o que é importante, a arte como o guitarrista manobra as cordas. Esse seria o seu sistema idealizado criado para estudar o dedilhar do guitarrista. Em ciência, por vezes criamos sistemas ditos ideais para observar o comportamento de certas grandezas, buscando aproximações com o que se observa nos modelos reais.

Para falar em equilíbrio térmico, também vamos considerar um sistema idealizado que, no caso desse estudo, é chamado de “sistema isolado”.

Vamos construir, então, nosso sistema isolado?

Imaginemos dois blocos, o bloco A e o B com diferentes temperaturas. Vamos supor que tanto o que está com maior temperatura quanto o que está com menor estão dentro de uma caixa de um material que não permite a troca de calor com o meio externo, ou seja, é um isolante perfeito. Esse é o nosso sistema isolado.

Será que essa caixa existe?

Supondo que essa caixa exista, vamos analisar os processos térmicos que acontecem dentro dela? Como o nosso sistema é isolado, dentro da caixa, ocorre somente a passagem de calor de um bloco para o outro. Mas como se dá essa passagem?

Existem aí duas situações: a passagem por condução e por radiação. No caso da condução, o corpo de maior temperatura (A) transfe
re energia térmica para o corpo de menor temperatura (B), como ilustra a Figura 2. Já no caso da radiação, os dois corpos irradiam calor e essa emissão é mais intensa quanto maior for a temperatura do corpo. Assim, os dois corpos emitem e recebem calor. Como o corpo A está a uma temperatura mais elevada, ele emite mais energia térmica do que recebe. Já com B ocorre o contrário, ele recebe mais do que emite. As sim dizemos que o fluxo de calor se dá no sentido de A para B, ou seja, do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura.

Passado algum tempo, os dois corpos estarão com a mesma temperatura e, nessas condições de isolamento térmico, a situação se estabiliza, ou seja, no instante em que cessa o trânsito de energia térmica, de um corpo para o outro, as duas temperaturas se igualam e dizemos que o sistema atingiu o Equilíbrio Térmico.
 Disponível em SEED/PR
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