Ao encostar uma caneca quente em uma colher de metal fria, ambos sofrem alterações. Algo é transferido entre eles, e essa transferência cessa apenas quando não há mais tendência de mudança. A termodinâmica começa definindo o que está sendo transferido, o que está sendo medido e o que significa para um sistema cessar suas alterações.
Dois objetos estão em contato térmico quando a energia pode fluir entre eles devido a uma diferença de temperatura — por exemplo, por condução através de uma superfície compartilhada. Quando essa troca se completa, os objetos atingem o equilíbrio térmico. O equilíbrio térmico significa que o estado térmico mensurável deles deixa de variar com o tempo quando não perturbado, e não ocorre transferência líquida de energia entre eles em decorrência da diferença de temperatura.
Um termômetro é um terceiro sistema colocado em contato térmico com outro corpo. A premissa fundamental é que o termômetro seja suficientemente pequeno, ou esteja acoplado de forma suficientemente fraca, para não alterar significativamente o estado de equilíbrio final que se pretende medir.
A lei zero da termodinâmica transforma esse conceito físico em uma regra de consistência para a medição de temperatura.
Se o sistema A está em equilíbrio térmico com o sistema C, e o sistema B está em equilíbrio térmico com o sistema C, então A e B estão em equilíbrio térmico entre si.
Essa lei não fornece um valor numérico. Ela garante que a temperatura é uma propriedade que pode ser atribuída a um sistema de modo que temperaturas iguais correspondam ao equilíbrio térmico.
Utilize o cenário ilustrado para acompanhar quais corpos trocam energia, o que deixa de mudar no equilíbrio e por que o termômetro pode atuar como o sistema intermediário C.
Se A e B chegam à mesma leitura no termômetro, a lei zero afirma que eles compartilham uma temperatura comum, mesmo que A e B nunca tenham se tocado.
Calor () é energia em trânsito através da fronteira de um sistema, devido apenas a uma diferença de temperatura. Sua unidade no SI é o joule (). Calor não é algo que um objeto contém; é algo que ocorre durante um processo.
Energia interna () é a energia armazenada nos graus de liberdade microscópicos de um sistema, como translação, rotação e vibração moleculares, bem como interações. Sua unidade no SI também é o joule (). Ao contrário do calor, a energia interna é uma propriedade de estado. Para um sistema em equilíbrio, depende do estado, e não do caminho percorrido para alcançá-lo.
Uma maneira rápida de distinguir os conceitos é fazer uma pergunta gramatical: na física, “calor” funciona como um verbo (uma ação), enquanto “energia interna” funciona como um substantivo.
Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contato térmico e isolados de todo o resto, a energia é transferida na forma de calor do corpo de temperatura mais alta para o de temperatura mais baixa, até que ambos atinjam uma temperatura final comum. Durante esse processo, a energia interna de cada corpo sofre alteração. O calor é o mecanismo de transferência através da fronteira, e a variação da energia interna é o que ocorre com cada corpo.
A próxima interação permite variar a massa, o material e as temperaturas iniciais para distinguir duas ideias que, muitas vezes, iniciantes confundem. A quantidade de calor transferida depende dos detalhes específicos, ao passo que a temperatura final de equilíbrio depende do balanço energético e das propriedades térmicas.