Antes de começar esse artigo, vou lhe fazer um desafio, neste exato momento, sem colar, me diga: qual a temperatura que está fazendo na sua cidade?
Feito? Quais fatores você usou para dar esse chute? Fez alguma comparação? Pensou que está mais quente agora do que estava hoje de manhã ou algo assim?
Essas perguntas podem parecer bobas, mas vamos manter esses questionamentos em mente enquanto pensamos sobre Temperatura.
Os problemas da medida de Temperatura
Vamos dar um passo atrás em uma parte que (sinceramente) é um tanto confusa: o conceito de Temperatura. Se formos definir em termos técnicos, a temperatura é “um parâmetro físico proporcional à energia térmica do sistema”. Isso é bastante abstrato, não concorda? Mas como um conceito tão usual, que ouvimos o tempo todo, pode ser tão complexo?
Essa complexidade se deve ao fato da temperatura ser algo de difícil medição, principalmente se considerarmos os nossos sentidos como parâmetro. Para exemplificar, no texto Termodinâmica: para onde vai o Calor? fizemos uma proposta de experimento envolvendo três recipientes com água em diferentes temperaturas. Nele é possível notar algo interessante a respeito de nossas percepções sensoriais de temperatura: a temperatura percebida no pote intermediário depende de qual foi o pote de onde a mão saiu (quente ou frio). Como dizer que estamos medindo a temperatura da água se cada mão a percebe de maneira diferente? O que sentimos não é a temperatura em si, nesse caso parece ser a diferença de temperatura. Mas será que podemos concluir que o que realmente sentimos é a diferença de temperatura entre o objeto e o nosso corpo?
Vejamos outro exemplo prático: imagine uma porta de madeira com uma maçaneta de metal. Ao encostar a sua mão na porta e na maçaneta, qual delas vai estar mais fria?
Temos a sensação de que a maçaneta está bem mais fria que a madeira da porta, mas normalmente estão ambas na mesma temperatura do ambiente, abaixo da temperatura do nosso corpo. Na figura 2 vemos uma imagem termográfica na qual a porta e a maçaneta estão aproximadamente na mesma temperatura, por volta de 12 °C, assim como as paredes à sua volta, com exceção das frestas que parecem mais frias.
Por que sentimos essa diferença entre esses objetos? Isto se deve à diferença de composição dos objetos, já que a maçaneta de metal “rouba” temperatura da mão muito mais rápido que a porta de madeira, e como perdemos mais rápido essa temperatura, temos a sensação de que a maçaneta é mais fria, mesmo que esta esteja na mesma temperatura que a porta!!! O conceito envolvido aqui não é a diferença de temperatura, como no caso anterior, mas a condutividade térmica dos materiais: capacidade de trocar energia térmica, ou “trocar temperatura”.
Mas e agora? Como medir a temperatura se não podemos usar nossos sentidos? Sem perceber caminhamos para a importância da existência de algum tipo de régua ou escala para medir aquilo que conhecemos como temperatura. E para isso vamos entrar nas não suficientemente famosas “Leis da Termodinâmica”.
A Lei Zero e a Temperatura Termodinâmica
Caminhamos então para a definição da Lei Zero da termodinâmica, denominada assim pelo cientista Ralph H. Fowler em 1939. Vale aqui ressaltar que ela foi definida muito tempo depois das outras Leis, e devido a sua grande importância ela foi denominada com a Lei Zero, pois é a base de todo e qualquer estudo envolvendo termodinâmica! De modo formal, a Lei Zero nada mais é que:
“Se dois sistemas estão independentemente em equilíbrio térmico com um terceiro sistema, estarão em equilíbrio térmico entre si.”
Fowler & Guggenheim (1965)[1939]
Para tentar traduzir essa frase vamos precisar de um pouco de abstração; acompanhe o raciocínio a seguir:
Considere apenas dois corpos, representados na figura 3, isolados de qualquer fonte externa de energia, um frio (A) e outro quente (B). Juntando os dois, podemos observar que algo muda gradualmente, algo é trocado entre os corpos. Após um bom tempo, não observamos mais trocas entre os corpos; dizemos que estão em equilíbrio térmico, com a mesma temperatura. O que foi trocado entre os corpos é Energia Térmica.
Passando de nível, incluímos um terceiro objeto © que faz contato com os corpos frio (A) e quente (B) como mostra a figura 4, sem que os corpos frio e quente se encostem diretamente. Repare que com o passar do tempo, o corpo que estava frio (A) está em equilíbrio térmico com o intermediário; da mesma forma, o corpo originalmente quente (B) também está em equilíbrio com C. Se retiramos o terceiro corpo e colocamos os outros (A e B) em contato direto, percebemos que não há trocas entre eles, pois já estão em equilíbrio térmico. Em resumo, se C está em equilíbrio térmico com os corpos A e B, estes estão em equilíbrio térmico entre si; existe uma relação de equivalência, ou um parâmetro, que chamamos Temperatura. Corpos que estão em equilíbrio térmico possuem a mesma Temperatura.
Isso é a Lei Zero da Termodinâmica! Até que é uma situação intuitiva, não concorda? Então por que diabos algo tão óbvio é considerado a Lei fundamental para todo o desenvolvimento da Termodinâmica? Pois bem, as coisas óbvias também precisam ser descritas, e é esta a lei que define Temperatura. Sabendo que podemos representar esse parâmetro em alguma Escala de Temperatura, independente dos corpos envolvidos, podemos criar um instrumento para comparar as “medições térmicas” a essas escalas, ou seja, um termômetro (do grego Therme, calor, e Metron, medida). Observando corpos que marquem a mesma temperatura em um termômetro, podemos garantir que eles estariam em equilíbrio térmico entre si, caso estivessem em contato. Muito mais do que consequências práticas, a Lei Zero tem implicações filosóficas.
Não conhecemos um Universo ou contexto que não respeite essa Lei, então é difícil falar das implicações de uma quebra dela. Podemos apenas supor que, caso a Lei Zero não fosse verdadeira, seria impossível ter um equipamento padronizado para medir temperatura (termômetro) e o próprio conceito de temperatura não faria sentido! Não faz sentido ter uma escala de referência se as medidas precisam ser realizadas caso a caso, e não referentes a uma escala fixa.
Sob a ótica da Termodinâmica, isso é Temperatura: uma escala para medir parte da Energia de um sistema.
A forma como a Temperatura se relaciona com outras grandezas será assunto para outros artigos.
Maria Eduarda Belló e Gabriel Cury Perrone / Equipe AMLEF 2023
Referências:
- Temperatura
- História da Temperatura.pdf
- NUSSENZVEIG, H. Moysés, Curso de Física Básica 2. Edição: 5.ed. Cidade: São Paulo, Edgard Blücher, 2014.