Quando é que dois corpos inicialmente com temperaturas atingem o equilíbrio térmico?

Quando os dois corpos entram em contato, há um fluxo de energia térmica espontânea que vai do corpo mais quente para o corpo mais frio. Esse fluxo de energia térmica é chamado de calor. Com o passar do tempo, os dois corpos atingem a mesma temperatura. Neste instante, o calor cessa.

O que significa QA e QB?

Resposta. Resposta:Como as linhas de força “nascem” em QB e “morrem” em QA, então, QA é negativa e QB é positiva. As linhas de força em torno de QA estão mais próxi-mas entre si do que em torno de QB, isto significa que o campo elétrico ali é mais intenso, logo |QA| > |QB|.

O que é equilíbrio termico entre sistemas?

Equilíbrio térmico é a situação obtida após dois ou mais corpos trocarem calor e, então, alcançarem uma temperatura igual entre si. Equilíbrio térmico é a condição em que um corpo encontra-se na mesma temperatura que suas vizinhanças.

Como a física explica o equilíbrio térmico atingido após se misturarem duas amostras de água inicialmente à temperaturas diferentes?

Resposta. Esse fenômeno que se denomina equilíbrio térmico,ele acontece quando um corpo de maior temperatura transmite calor para um de menor temperatura e quando os dois corpos atingem a mesma temperatura ficam em equilíbrio entre si.

Vamos avaliar a seguinte situação: quando dois condutores elétricos idênticos estão carregados com cargas diferentes, eles possuem diferentes potenciais elétricos. 

Se esses condutores forem conectados por um fio, há uma transferência de carga do maior potencial elétrico para o menor, gerando uma corrente elétrica. 

A transferência cessa no momento em que os condutores assumem o mesmo potencial, e dizemos que os condutores atingiram o equilíbrio eletroestático. 

Esse fenômeno pode ser utilizado como uma analogia para explicar o que ocorre quando dois corpos com temperaturas diferentes entram em contato, o estado final de equilíbrio desses corpos é chamado de equilíbrio térmico.

Considere um sistema isolado, onde se encontram dois corpos com temperaturas diferentes inicialmente separados um do outro. Por ser um sistema isolado, a transferência de energia só ocorre de um corpo para o outro. Quando os dois corpos entram em contato, há um fluxo de energia térmica espontânea que vai do corpo mais quente para o corpo mais frio. 

Esse fluxo de energia térmica é chamado de calor. Com o passar do tempo, os dois corpos atingem a mesma temperatura. Neste instante, o calor cessa. O sistema encontrou o seu estado de equilíbrio térmico, como mostrado no exemplo abaixo:

Esse fenômeno ocorre quando colocamos um cubo de gelo para resfriar uma bebida. O gelo que está a uma temperatura inferior recebe energia térmica na forma de calor, até a ponto de derreter. A situação final é um sistema com a bebida e água em equilíbrio térmico, em uma mesma temperatura que é inferior a temperatura inicial da bebida. 

A temperatura final do equilíbrio térmico depende das substâncias e da quantidade dessas substâncias que compõem o sistema. Observe que é necessário um intervalo de tempo para o equilíbrio térmico ocorrer. 

Esse intervalo de tempo depende da facilidade com que o calor consegue fluir pelos corpos. Quando utilizamos um termômetro clínico para medir a temperatura corporal, devemos procurar uma região do corpo onde o fluxo de calor seja facilitado, geralmente nas axilas ou no interior da boca, e aguardar um tempo até que o termômetro entre em equilíbrio térmico com o corpo humano.

A forma de descrever esse fenômeno matematicamente é sintetizar que, dado o contato entre os dois corpos:

• Só há calor se existe uma diferença de temperatura.
• Todo calor fornecido pelo corpo quente deve ser recebido pelo corpo frio.

Equacionando essas informações podemos dizer que, sendo Q o calor no sistema

\(Q = Q(\Delta T)\) ; O calor é dependente da variação da temperatura

\(\Sigma Q_{fornecido} +\Sigma Q_{recebido} = 0\) ; a soma  de todo o calor que flui no sistema é nula;

Como convenção podemos assumir que \(Q>0\) para o calor que entra no sistema e \(Q<0\) para o calor que sai.

O equilíbrio térmico, também chamado de equilíbrio termodinâmico, é quando dois corpos ou substâncias atingem a mesma temperatura.

Este conceito da termodinâmica está relacionado com a transferência de calor espontânea (energia térmica) que ocorre entre dois corpos em contato.

Nesse processo, o corpo mais quente transfere calor para o corpo mais frio até que ambos tenham a mesma temperatura.

Esquema da transferência de calor

A troca de energia entre dois corpos (energia calorífica) resulta na perda de energia térmica do corpo mais quente e no ganho de energia do corpo mais frio.

Exemplo

Como exemplo, podemos citar a mistura de café quente com leite frio. Ainda que tenham temperaturas iniciais distintas, em pouco tempo o corpo mais quente (café) transfere energia térmica para o mais frio (leite). Assim, a mistura fica morna, resultado do equilíbrio térmico.

Supondo que a café estava a 50 °C e o leite a 20 °C, o equilíbrio térmico é atingido quando ambos estão com 35 °C.

Propagação de Calor

Importante salientar que calor é a troca de energia e sua transferência pode ocorrer de três maneiras:

• Condução térmica: aumento da energia cinética;
• Convecção térmica: criação de correntes de convecção;
• Irradiação térmica: por meio de ondas eletromagnéticas.

Tipos de Propagação de Calor

Leia mais: Propagação de Calor.

Fórmula

Para calcular o equilíbrio térmico, utiliza-se a seguinte fórmula:

Q1 + Q2 + Q3... = 0 ou ΣQ=0

Sendo,

Q: quantidade de calor (temperatura dos corpos)

Assim, sabemos que a soma de todas as energias térmicas é nula.

O calor sensível está relacionado com a variação de temperatura dos corpos. Ele é calculado pela seguinte fórmula:

Q = m . c . Δθ

Onde,

Q: quantidade de calor sensível (cal ou J)
m: massa do corpo (g ou Kg)
c: calor específico da substância (cal/g°C ou J/Kg.°C)
Δθ: variação de temperatura (°C ou K)

Leia também sobre Calorimetria e Calor e Temperatura.

Exercícios de Vestibular com Gabarito

1. (Mackenzie) Quando misturamos 1,0 kg de água (calor específico sensível = 1,0 cal/g°C) a 70°C com 2,0 kg de água a 10°C, obtemos 3,0 kg de água a:

a) 10°C
b) 20°C
c) 30°C
d) 40°C
e) 50°C

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Alternativa c) 30°C

2. (UFP-RS) Considere as afirmações a seguir:

I. Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, ambos possuem a mesma quantidade de calor.
II. Quando dois corpos estão em equilíbrio térmico, ambos possuem a mesma temperatura.
III. Calor é transferência de temperatura de um corpo para outro.
IV. Calor é uma forma de energia em trânsito.

Das afirmações acima, pode-se dizer que:

a) I, II, III e IV são corretas
b) I, II, III são corretas
c) I, II e IV são corretas
d) II e IV são corretas
e) II e III são corretas

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Alternativa d) II e IV são corretas

3. (FATEC-SP) Um sistema A está em equilíbrio térmico com outro B e este não está em equilíbrio térmico um outro C. Então, podemos dizer que:

a) os sistemas A e C possuem a mesma quantidade de calor.
b) a temperatura de A é diferente da de B.
c) os sistemas A e B possuem a mesma temperatura.
d) a temperatura de B é diferente da de C, mas C pode ter temperatura igual à do sistema A.
e) nenhuma das anteriores.

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Alternativa c) os sistemas A e B possuem a mesma temperatura.

4. (UFV-MG) Quando dois corpos de materiais diferentes estão em equilíbrio térmico, isolados do meio ambiente, pode-se afirmar que:

a) o mais quente é o que possui menor massa.
b) apesar do contato, suas temperaturas não variam.
c) o mais quente fornece calor ao mais frio.
d) o mais frio fornece calor ao mais quente
e) suas temperaturas dependem de suas densidades.

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Alternativa b) apesar do contato, suas temperaturas não variam.

5. (UFScar-SP) Dois corpos A e B, de massas mA e mB, estão inicialmente às temperaturas tA e tB, respectivamente, com tA ≠ tB. Num dado instante, eles são postos em contato térmico. Após atingir o equilíbrio térmico, teremos:

a) t’a > t’b
b) t’a < t’b
c) t’a = t’b
d) n.d.a.

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Alternativa c) t’a = t’b

Veja também a definição de Equilíbrio na Física.

Rosimar Gouveia

Bacharel em Meteorologia pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) em 1992, Licenciada em Matemática pela Universidade Federal Fluminense (UFF) em 2006 e Pós-Graduada em Ensino de Física pela Universidade Cruzeiro do Sul em 2011.