Equilíbrio térmico

Equilíbrio térmico é uma condição termodinâmica na qual dois ou mais corpos encontram-se à mesma temperatura. Essa condição é atingida espontaneamente, uma vez que corpos em temperaturas diferentes trocam calor entre si até que suas temperaturas equilibrem-se. Além disso, o calor sempre flui dos corpos mais quentes para os corpos de menor temperatura.

Veja também: Cinco coisas que você deve saber sobre o calor

Princípio

O princípio físico que explica o equilíbrio térmico é chamado Lei Zero da Termodinâmica. Confira o enunciado dessa lei, de forma simplificada:

”Consideremos dois objetos A e B. Se um terceiro objeto T está em equilíbrio térmico com A e também em equilíbrio térmico com B, então A e B estão em equilíbrio entre si.“

A figura a seguir ilustra o princípio físico do equilíbrio térmico. Se os corpos A, de temperatura T_A, e B, de temperatura T_B, estiverem em equilíbrio térmico com o corpo C, de temperatura T_C, então: T_A = T_B = T_C.

Quando dois corpos estiverem em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, eles estarão em equilíbrio entre si.

Calor e equilíbrio térmico

O equilíbrio térmico ocorre quando os componentes de um sistema termodinâmico transferem calor entre si, sempre no sentido do corpo mais quente para o corpo mais frio, até que sua temperatura seja equilibrada.

Para que ocorra o equilíbrio térmico, é necessário que os corpos estejam em contato térmico. O contato térmico é caracterizado pela capacidade que os corpos têm de trocar calor entre si. Esse calor, por sua vez, tanto pode ser do tipo latente quanto do tipo sensível. Caso queira saber mais sobre essas formas de calor, acesse: Calor sensível e Calor latente.

→ Fórmula

Em decorrência da conservação da energia, podemos dizer que, em um sistema termodinâmico fechado (que não troca calor com suas vizinhanças), todo o calor que é cedido por um corpo é integralmente absorvido pelos demais. Dessa forma, podemos equacionar a seguinte identidade:

Q_R — calor recebido

Q_C — calor cedido

A identidade anterior pode ser generalizada, com isso podemos afirmar que a soma de todas as quantidades de calor transferidas entre os corpos, em meios termodinamicamente fechados, é nula:

Equilíbrio térmico da Terra

O equilíbrio térmico da Terra é fundamental para a nossa existência e a de outras espécies. Sem a ocorrência desse fenômeno, a Terra não abrigaria as condições necessárias para a manutenção da vida. Em razão da sua alta capacidade de reflexão da luz, os mares e as nuvens refletem parte da radiação solar, enquanto o restante dessa radiação penetra a atmosfera terrestre, aquecendo o planeta.

Em razão da presença dos gases do efeito estufa (dióxido de carbono, metano, óxido nitroso), a radiação solar é continuamente refletida para a superfície da Terra, propagando a radiação térmica em todo o globo terrestre. Grande parte dessa radiação térmica também é consumida como forma de calor latente, derretendo o gelo presente nas nuvens. Sem esse balanço de energias, a amplitude térmica em nosso planeta seria enorme: teríamos dias escaldantes e noites extremamente frias.

O balanço da energia na Terra depende da absorção e reflexão da radiação solar.

Apesar de serem responsáveis pelo equilíbrio térmico do planeta, os gases do efeito estufa são isolantes térmicos e agem como retentores de calor. Isso quer dizer que grande parte do calor que deveria escapar para fora da atmosfera terrestre, permanece na Terra, causando crescentes aumentos em sua temperatura média.

Exercícios resolvidos

1) Acerca do equilíbrio térmico, assinale as alternativas corretas, com V para verdadeiro e F para falso:

I - Para que ocorra o equilíbrio térmico, é necessário que a quantidade de calor contida nos corpos seja igual.

II - O equilíbrio térmico ocorre quando as temperaturas entre dois ou mais corpos igualam-se.

III - O calor sempre flui espontaneamente dos corpos mais quentes para os corpos de menor temperatura.

IV - Em um sistema termodinamicamente isolado, a soma das quantidades de calor é nula.

São verdadeiras:

a) Todas as alternativas

b) I, II e III

c) II, III e IV

d) III e IV

e) III e IV

Resolução:

Vamos analisar as alternativas:

I - FALSO. Nessa questão há um erro conceitual acerca do que é calor. Calor é a energia térmica em trânsito entre dois ou mais corpos que apresentem diferentes temperaturas. É errado dizer que um corpo contém calor, sendo o correto dizer que os corpos contêm energia interna.

II - VERDADEIRO. A condição de equilíbrio térmico diz que as temperaturas entre dois ou mais corpos devem ser iguais entre si.

III - VERDADEIRO. Essa é uma condição fundamental para o equilíbrio de energia. O calor sempre deve fluir de acordo com o gradiente de temperaturas: dos corpos mais quentes para os mais frios.

IV - VERDADEIRO. Os sistemas termodinamicamente fechados implicam que todas as trocas de calor ocorrem apenas entre os integrantes do sistema, nenhuma porção de calor escapa de seus limites.

Gabarito: Letra C

2) Duas porções de água pura, a primeira com massa m e temperatura de 50 ºC e a segunda com massa 2 m e temperatura de 20 ºC são misturadas em uma xícara que pode ser considerada um sistema fechado. Determine a temperatura de equilíbrio dessa mistura e assinale a alternativa que apresenta a reposta correta:

a) 60 ºC

b) 50 ºC

c) 30 ºC

d) 15 ºC

e) 10 ºC

Resolução:

Gabarito: Letra C