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O que é equilíbrio térmico?

O equilíbrio térmico nada mais é do que uma condição em que um corpo se encontra na mesma temperatura dos seus vizinhos. Quando há corpos com temperaturas mais elevadas em relação aos seus vizinhos, há a tendência de que esses cedam calor espontaneamente para que ambos passem a ter a mesma temperatura.

Conceito de equilíbrio térmico

Em linhas gerais, o equilíbrio térmico consiste na condição em que todos os corpos próximos tenham a mesma temperatura. Basicamente, esse sistema determina que as temperaturas finais de cada corpo devem ser iguais.

Esse conceito é o que está por trás da lei zero da Termodinâmica. Essa lei estabelece que se dois sistemas, A e B, estão em equilíbrio térmico com um terceiro sistema C, então A e B estão em equilíbrio térmico também. 

Outra maneira de compreender o equilíbrio térmico é por meio do conceito de energia interna dos corpos. Também chamada de energia térmica, consiste em uma grandeza física diretamente proporcional à temperatura do corpo.

Logo, se existem corpos com temperaturas distintas em um mesmo sistema termodinâmico, eles terão módulos de energia interna diferentes. Parte dessa energia será transferida entre esses corpos para que se estabeleça o equilíbrio, isto é, para que não exista nenhuma diferença entre as energias internas. 

Transferência de calor e equilíbrio térmico

A transferência de calor se dá de maneira espontânea, sempre partindo do corpo de temperatura mais elevada para o corpo de menor temperatura. A energia em forma de calor pode ser transferida através de processos como a condução, radiação e convecção. Entenda melhor esses processos abaixo.

Condução

Consiste em um tipo de transferência de calor entre corpos que se dá particularmente entre sólidos. Não há transferências de massas nesse tipo de condução. É o tipo de transferência que explica como acontece o equilíbrio térmico entre metais, por exemplo. 

Convecção

Consiste em uma transferência de calor entre fluidos, dessa forma, acontece a transferência de massa. O fluido aquecido se move, gerando correntes de convecção até que o fluido todo chegue ao equilíbrio térmico. 

Radiação

Trata-se da transmissão de calor através de ondas eletromagnéticas, isso quer dizer que é um processo que se dá mesmo que não exista um meio físico entre o corpo de maior e de menor temperatura. Nesse caso, o calor transferido equivale a ondas eletromagnéticas de energia menores do que a luz visível. Consistem em radiações térmicas situadas na região de infravermelho. 

O que é calor sensível?

O conceito de calor sensível refere-se à quantidade de calor trocada entre corpos próximos para chegar ao equilíbrio térmico. Essa quantidade de calor pode ser calculada usando a seguinte fórmula: 

Q = mc∆T

Nessa fórmula:

• Q – é o calor (cal ou J)
• m – é a massa (g ou kg)
• c – é o calor específico (cal/gºC ou J/kg.K)
• ΔT – é a variação de temperatura (ºC ou K)

Calor específico

A fórmula acima possui uma grandeza chamada de calor específico. Essa grandeza mede quanto de energia por massa uma substância deve ceder ou absorver para que sua temperatura varie em 1°C. A água pura em condições normais de pressão, por exemplo, varia em 1°C a sua temperatura para cada grama de água. 

As substâncias que entram em contato térmico tendem a chegar à condição de equilíbrio térmico com o passar do tempo espontaneamente. Porém, algumas precisam de mais energia para que a sua temperatura alcance o equilíbrio térmico. 

O que é calor latente?

Um corpo pode passar por transformações do seu estado físico quando realiza trocas de calor com suas vizinhanças. Tais mudanças se dão em temperatura constante para os corpos feitos de uma substância única sem impurezas. Isso significa que, embora estejam recebendo ou cedendo calor para o meio externo, esses corpos mantêm a sua temperatura. 

Essa situação se dá pelo fato de que toda a energia trocada nesse caso é empregada para a alteração da conformação das suas moléculas. Quando a barreira energética é “vencida”, isto é, o conteúdo do corpo se encontra em outro estado físico, o corpo continua a realizar a troca de calor com as vizinhanças, exceto quando já chegou ao equilíbrio térmico. O cálculo do calor latente pode ser feito com a seguinte fórmula: 

Q = mL

Nessa fórmula:

• Q – é o calor latente (cal ou J)
• m – é a massa (g ou kg)
• L – é o calor latente específico (cal/g ou J/kg)

A fórmula do equilíbrio térmico

Para descobrir a temperatura de equilíbrio térmico de um sistema termodinâmico é essencial considerá-lo isolado, ou seja, assumir que não há trocas de quantidade de calor com as vizinhanças desse sistema. Partindo desse princípio, concluímos que toda a quantidade de calor trocada é trocada apenas entre os corpos que fazem parte desse sistema. 

Desconsidera-se também as perdas de calor para as paredes do recipiente, nesse caso, dizemos que o recipiente possui capacidade térmica desprezível. Tomaremos como exemplo uma xícara de chá quente que possui capacidade térmica desprezível. Alguém despeja dentro dela cubos de gelo. Para chegar à temperatura de equilíbrio térmico precisaremos considerar alguns tópicos além das condições iniciais do sistema: 

• A quantidade de calor cedida pelo chá quente para o gelo será totalmente absorvida pelo último, uma vez que a xícara possui capacidade térmica desprezível. 
• A xícara deverá ser considerada um sistema termodinâmico fechado, isto é, precisamos desconsiderar as perdas de calor para o ar ou para a vizinhança. 

A fórmula para calcular o equilíbrio térmico é a seguinte: 

QR + QC = 0

Nessa fórmula:

• QR – é o calor recebido
• QC – é o calor cedido

Calor cedido é a quantidade de calor que o chá quente cedeu para os cubos de gelo. Por sua vez, o calor recebido é a quantidade de calor que os cubos de gelo receberam. O calor possui duas naturezas: calor latente e calor sensível. Os cubos de gelo provavelmente irão derreter para que possam chegar ao equilíbrio térmico. 

Agora você sabe o que é equilíbrio térmico! Navegue pelo blog do Hexag para conferir mais conteúdos de física e outras disciplinas.