A Lei Zeroth da Termodinâmica afirma que se dois corpos estão cada um em equilíbrio térmico com algum terceiro corpo, então eles também estão em equilíbrio um com o outro. Equilíbrio térmico significa que quando dois corpos estão em contacto um com o outro e separados por uma barreira permeável ao calor, não haverá transferência de calor de um para o outro.
Isto diz em essência que os três corpos estão todos à mesma temperatura. James Clerk Maxwell colocou isto talvez mais simplesmente quando disse: “Todo o calor é do mesmo tipo”. O mais importante é que a Lei Zeroth estabelece que a temperatura é uma propriedade fundamental e mensurável da matéria.
História
Quando as leis da termodinâmica foram originalmente estabelecidas, havia apenas três. No início do século XVIII, no entanto, os cientistas perceberam que outra lei era necessária para completar o conjunto. Entretanto, esta nova lei, que apresentava uma definição formal de temperatura, na verdade substituiu as três leis existentes e deveria estar no topo da lista. Isto criou um dilema: as três leis originais já eram bem conhecidas pelos seus números atribuídos, e renumerá-las criaria um conflito com a literatura existente e causaria uma confusão considerável. A alternativa, chamar esta nova lei de Quarta Lei e colocá-la em último lugar na lista, também era problemática porque ela substituía as outras três leis. Um cientista, Ralph H. Fowler, inventou uma terceira alternativa que resolveu o dilema: ele chamou a nova lei de “Lei Zeroth”. (Curiosamente, o escritor de ficção científica Isaac Asimov apropriou-se da idéia de uma Lei Zeroth em seu romance “Robots and Empire” de 1994, quando descobriu que precisava acrescentar uma nova lei às Três Leis da Robótica que substituíram a Primeira Lei.)
De acordo com David McKee, professor de física da Universidade Estadual do Missouri Southern, a Lei Zeroth “nos diz que não importa quanta energia dois sistemas tenham, sabendo quanta energia eles têm, não me deixa prever qual direção o calor fluirá se eu colocá-los em contato um com o outro. A Lei Zeroth diz que este número, que é a temperatura, define a direção do fluxo de calor, e não depende diretamente da quantidade de energia envolvida”.
Ele continuou, “A temperatura de dois sistemas é a única coisa que você precisa saber para determinar qual direção o calor fluirá entre eles”
Termômetros
As plantas e animais mais simples de uma célula respondem às mudanças de temperatura. Os conceitos de quente e frio, assim como “mais quente que” e “mais frio que” estão enraizados na nossa fisiologia. No entanto, a nossa capacidade de comunicar este conceito exigiu algum padrão para comparação. Um dos primeiros padrões, e que ainda hoje está habituado, utiliza os pontos de congelamento e de ebulição da água. O problema, porém, era como descrever as temperaturas com precisão suficiente para ser útil. Isto exigia um método de medição repetitivo numa escala incremental.
A Lei Zeroth da Termodinâmica define a temperatura e torna os termómetros possíveis. Para que um termómetro seja útil, no entanto, deve ser primeiro calibrado. Todas as outras unidades de medida básicas, por exemplo, para comprimento, massa, tempo, etc., são definidas de acordo com um padrão preciso. Neste caso, devemos definir não só uma unidade de medida, mas também o ponto inicial da escala.
Os esforços iniciais mais notáveis para padronizar a medição da temperatura foram os de Daniel Gabriel Fahrenheit. No início do século XVIII, Fahrenheit inventou os conhecidos termômetros do tipo tubo de vidro, utilizando álcool e mercúrio. Ele também inventou a escala de Fahrenheit, que estabelece os pontos de congelamento e ebulição da água como 32 graus e 212 graus, respectivamente, e ainda está acostumado até hoje, particularmente nos Estados Unidos. A maioria do resto do mundo usa a escala Celsius, que atribui valores de 0 graus para o ponto de congelamento da água, e 100 graus para o seu ponto de ebulição ao nível médio do mar.
Todas as escalas de medição usadas em ciência e engenharia começam com um valor zero. O conceito de comprimento zero, massa ou tempo é relativamente fácil de entender; entretanto, zero temperatura, ou zero absoluto, onde não há absolutamente nenhuma energia térmica, é um pouco mais difícil de entender. Isto porque tal temperatura nunca foi observada na natureza ou no laboratório, e geralmente acredita-se que nunca o será; no entanto, os cientistas chegaram bem perto.
A maioria dos termómetros contém líquido ou metal que muda de volume ou de forma dependendo da sua temperatura. Quando o líquido ou metal atinge o equilíbrio térmico com o objeto ou substância sendo medido, a propriedade sensível à temperatura do material no termômetro pode então ser explorada para indicar a sua temperatura.
Por exemplo, alguns tipos de termômetros usam um líquido, tipicamente álcool ou mercúrio, que se expande ou se contrai com o aumento ou diminuição da temperatura. Esta pequena expansão é amplificada por ter um reservatório relativamente grande de líquido em um bulbo de vidro conectado a um tubo de vidro longo e muito estreito. Desta forma, uma pequena alteração no volume do líquido no bulbo pode causar uma grande alteração no nível do líquido no tubo, de modo que a temperatura pode ser determinada pela leitura da altura do líquido em relação a uma escala calibrada.
Um outro tipo de termómetro é baseado na expansão térmica do metal. Novamente, o problema é como amplificar uma mudança muito pequena no tamanho para que ele possa ser lido em uma escala. Uma maneira é usar uma bobina com muitos loops para que uma pequena mudança no comprimento seja multiplicada pelo número de loops. Outro tipo explora o fato de que diferentes metais se expandem em diferentes taxas quando aquecidos. Tiras de dois metais diferentes com coeficientes de expansão diferentes podem ser laminadas juntas para que o conjunto se enrole quando é aquecido. Esta deflexão pode mover uma agulha que pode ser lida contra uma escala.
Outro método para medir a temperatura depende de mudanças de cor em materiais orgânicos sensíveis à temperatura. Estes são normalmente úteis apenas para medir faixas limitadas de temperatura, tais como indicação de febre ou monitoramento da temperatura ambiente. Outro dispositivo, chamado termistor, funciona com base nas mudanças na resistividade elétrica de um material semicondutor, devido à sua temperatura. Estes dispositivos podem detectar alterações de temperatura extremamente pequenas e são utilizados em bolómetros e para monitorizar experiências laboratoriais. No entanto, nenhuma medição seria possível sem se basear no princípio descrito na Lei Zeroth.