Equilíbrio térmico

Equilíbrio térmico é a tendência que os corpos têm de trocar energia térmica entre si até que suas temperaturas se igualem. Dessa maneira, os corpos de maior temperatura transferem calor para os de menor temperatura, até que se atinja a condição de equilíbrio térmico.

Veja também: Como converter temperaturas e variações de temperatura

Tópicos deste artigo

• 1 - Equilíbrio térmico – definição
• 2 - Fórmula do equilíbrio térmico
• 3 - Calor e equilíbrio térmico
• 4 - Exemplos de equilíbrio térmico
• 5 - Exercícios sobre equilíbrio térmico

Equilíbrio térmico – definição

De acordo com a lei zero da termodinâmica, corpos de diferentes temperaturas e em contato térmico tendem a entrar em equilíbrio térmico. Isso implica que se dois corpos, A e B, estão em equilíbrio térmico com um corpo C, então os corpos A e B também estão em equilíbrio térmico entre si. Além disso, pelas leis da termodinâmica, sabemos que o calor sempre deve fluir dos corpos de temperatura mais elevada em sentido aos de menor temperatura.

Fórmula do equilíbrio térmico

O equilíbrio térmico é expresso por meio de uma fórmula que leva em conta a conservação da energia, isto é, toda a quantidade de calor que um corpo emite é absorvida por suas vizinhanças, se considerarmos que todos os corpos que interagem entre si estejam contidos dentro de um sistema fechado. Portanto, a somatória de todo o calor emitido com o calor absorvido deve ser igual a 0, observe:

Q_R e Q_C – calor recebido e cedido

O calor é normalmente calculado nas formas de calor sensível e calor latente, relacionados, respectivamente, às quantidades de calor responsáveis por variar a temperatura dos corpos e causar-lhes mudanças no estado físico. O calor sensível pode ser calculado por meio da fórmula a seguir:

Q – calor (cal)
m – massa (g)
c – calor específico (cal/gºC)
ΔT – variação de temperatura (ºC)

O calor sensível, responsável pelas mudanças de estado físico, pode ser calculado pela fórmula a seguir:

Q – calor latente (cal)
m – massa (g)
L – calor latente específico (cal/g)

Calor e equilíbrio térmico

O equilíbrio térmico é atingido de acordo com a transferência de energia térmica entre corpos de diferentes temperaturas, essa transferência, por sua vez, é chamada calor. O calor pode ser transferido entre corpos por meio de três processos distintos. São eles:

• Condução

• Convecção

• Radiação

O que esses processos de transferência têm em comum é que, para ocorrerem, os corpos precisam estar em temperaturas diferentes, no entanto, cada um deles apresenta características próprias, vamos conferi-las:

• Condução: é a transferência de calor que ocorre por meio das colisões entre átomos vizinhos. Esse tipo de transferência é mais comum em sólidos.

• Convecção: é o processo de transferência de calor que ocorre em meios fluidos (líquidos e gasosos). A convecção ocorre com a movimentação do fluido, em razão da variação de densidade que ocorre com o aumento da temperatura. É o único processo de transferência de calor em que há transporte de matéria.

• Radiação: é a transferência de calor por meio da emissão e absorção de ondas eletromagnéticas. Todos os corpos que estão acima da temperatura de 0 K (zero absoluto) emitem ondas eletromagnéticas.

Veja também: Condução térmica – definição, fórmulas, exemplos e exercícios

Exemplos de equilíbrio térmico

Existem diversas situações cotidianas que podem ser usadas para ilustrar o equilíbrio térmico, vamos conferir alguns exemplos:

• Quando permanecemos sentados por um longo tempo, é possível perceber que o lugar onde estávamos apoiados entra em equilíbrio térmico com nosso corpo.

• Quando a água está sendo fervida e atinge a temperatura de 100 ºC, as correntes de convecção cessam, já que, durante a ebulição, não há mais diferenças de temperatura na água.

Exercícios sobre equilíbrio térmico

Questão 1) Uma xícara contém 100 ml de água à temperatura de 70 ºC, então, despeja-se nessa xícara 20 ml de água a 20 ºC. A temperatura de equilíbrio térmico da água, desconsiderando as perdas de calor para as vizinhanças, é de, aproximadamente:

a) 57,5 ºC
b) 61,6 ºC
c) 45,2 ºC
d) 37,6 ºC
e) 27,8 ºC

Gabarito: Letra B

Resolução:

Levando em conta a conservação da energia, toda a quantidade de calor emitida pela água quente é absorvida pela água fria, logo, devemos fazer o seguinte cálculo:

Questão 2) Em um balde que contém 1 l de água (1000 g) a 25 ºC, são colocados 100 ml de gelo à temperatura de 0 ºC. A temperatura da água, depois de o gelo ter derretido completamente, desprezando-se as trocas de calor com as vizinhanças, será, aproximadamente, de:

a) 15,4 ºC
b) 20,6 ºC
c) 19,8 ºC
d) 25,4 ºC
e) 12,3 ºC

Gabarito: Letra A

Resolução:

Primeiramente é necessário considerar que o gelo precisa receber calor latente, para que, assim, sofra uma mudança de estado físico. Em seguida, essa porção de água, que está a 0 ºC, recebe calor do restante da água que está no balde a uma temperatura de 25 ºC. Confira o cálculo: