Quando ouvimos o termo “equilíbrio térmico”, muitas vezes pode parecer complicado, mas na verdade é um conceito que se refere a algo que vivenciamos diariamente, mesmo que não percebamos.
O equilíbrio térmico é um estado em que dois ou mais corpos (ou sistemas) atingem a mesma temperatura e, portanto, não trocam mais energia térmica entre eles. Para entender isso claramente, vejamos alguns detalhes importantes sobre o conceito.
O que é calor?
Antes de nos aprofundarmos no equilíbrio térmico, é importante entender o que é calor.
O calor é uma forma de energia que é transferida entre corpos devido à diferença de temperatura. Este fluxo de energia ocorre sempre do corpo mais quente para o corpo mais frio, e o processo continua até que ambos os corpos atinjam a mesma temperatura.
Esse momento em que param de trocar calor é o que chamamos de equilíbrio térmico .
O processo de troca de calor
Vamos imaginar que você toma uma xícara de café quente em uma sala em temperatura ambiente. A princípio, a temperatura do café é muito superior à do ar ao seu redor. À medida que o café fica mais quente, ele começa a perder calor para o ar ao seu redor. Enquanto isso, o ar ao redor absorve essa energia.
Esta troca de calor continuará até que a temperatura do café e do ar se igualem. É nesse momento que ambos estão em equilíbrio térmico, o que significa que não haverá mais transferência de calor entre eles.
Este é um exemplo simples de como funciona o equilíbrio térmico, mas o interessante é que esse fenômeno ocorre em muitos aspectos do nosso dia a dia, embora nem sempre o percebamos.
Lei zero da termodinâmica
O equilíbrio térmico é melhor compreendido se introduzirmos a lei zero da termodinâmica.
Esta lei é bastante simples e diz o seguinte: “Se dois corpos estão em equilíbrio térmico com um terceiro corpo, então eles também estão em equilíbrio térmico entre si”. Embora pareça óbvia, esta lei é fundamental para definir a temperatura como uma propriedade física que pode ser medida.
Imagine três corpos: A, B e C. Se o corpo A está em equilíbrio térmico com o corpo B, e o corpo B está em equilíbrio térmico com o corpo C, a lei nos diz que A e C também devem estar em equilíbrio térmico. Isto estabelece uma relação transitória muito útil que permite, entre outras coisas, a calibração de termômetros.
Como o equilíbrio térmico é alcançado?
O equilíbrio térmico pode ser alcançado através de vários mecanismos de transferência de calor: condução, convecção e radiação .
Condução
Condução é o processo pelo qual o calor é transferido através de um material sólido.
Isso ocorre quando as moléculas em uma parte mais quente do objeto vibram mais rapidamente e transmitem sua energia para moléculas adjacentes e mais frias. Um bom exemplo disso é quando você toca uma colher de metal que foi submersa em uma xícara de sopa quente. O calor da sopa é transferido para a colher por condução e, se você segurá-la por tempo suficiente, a colher ficará quente o suficiente para você sentir a temperatura subir.
Convecção
Convecção é o processo pelo qual o calor é transferido em fluidos (líquidos e gases) através do movimento de partículas fluidas.
Um exemplo clássico é uma panela com água no fogão. À medida que a água do fundo da panela aquece, ela se torna menos densa e sobe à superfície, enquanto a água mais fria, que é mais densa, afunda. Este ciclo cria uma corrente de convecção, que ajuda a distribuir o calor uniformemente por todo o líquido.
Radiação
Por último, temos a radiação, que é a transferência de calor através de ondas eletromagnéticas. Ao contrário da condução e da convecção, a radiação não requer um meio físico para a transferência de calor.
Um bom exemplo de radiação é como sentimos o calor do sol na pele, mesmo quando estamos a milhões de quilômetros de distância. A energia térmica é transferida através do vácuo do espaço por radiação eletromagnética.
Outro exemplo são os coletores solares, que aproveitam a radiação solar para obter água quente.
Fatores que afetam o equilíbrio térmico
Existem vários fatores que podem influenciar a rapidez com que o equilíbrio térmico é alcançado entre dois corpos.
- Diferença inicial de temperatura : Quanto maior a diferença de temperatura entre dois corpos, mais rápido será o processo de troca de calor. Por exemplo, se você derramar água fervente em um copo em temperatura ambiente, o processo de resfriamento inicial será rápido, mas diminuirá à medida que a água e o ambiente se aproximarem da mesma temperatura.
- Propriedades térmicas dos materiais : Alguns materiais são melhores condutores de calor do que outros. O metal, por exemplo, é um bom condutor de calor, enquanto o ar ou a madeira não são tão bons. Portanto, um objeto de metal aquecerá ou esfriará mais rapidamente do que um objeto de madeira quando colocado em contato com uma fonte de calor.
- Tamanho e forma dos corpos : O tamanho e a forma dos corpos também afetam a taxa com que o equilíbrio térmico é alcançado. Objetos menores tendem a atingir o equilíbrio térmico mais rapidamente do que objetos maiores, pois possuem menos massa para aquecer ou resfriar. Além disso, objetos com áreas superficiais maiores terão uma taxa de troca de calor mais alta devido à maior área de contato.
- Isolamento : Um bom isolamento térmico pode retardar o processo de troca de calor e, portanto, atrasar a obtenção do equilíbrio térmico. É por isso que usamos isoladores em nossas casas ou garrafas térmicas para manter o café quente. Esses materiais não impedem completamente a troca de calor, mas a tornam muito mais lenta.
Exemplos práticos de equilíbrio térmico
Na vida cotidiana, encontramos muitos exemplos de equilíbrio térmico.
Desde o momento em que você entra no banho quente e sente seu corpo começar a se equilibrar com a temperatura da água, até quando você deixa uma bebida gelada na mesa e, com o tempo, ela aquece até a temperatura ambiente. Todos esses são processos de equilíbrio térmico em ação.
Um exemplo mais interessante é o uso de termômetros . Os termômetros funcionam com base no princípio do equilíbrio térmico.
Quando você coloca um termômetro em contato com algo, por exemplo, sua pele, o líquido dentro do termômetro (que geralmente é mercúrio ou álcool colorido) aquece ou esfria até atingir a mesma temperatura da sua pele. O termômetro para de mudar quando o equilíbrio térmico é alcançado e então podemos ler a temperatura correta.
Equilíbrio térmico e a segunda lei da termodinâmica
O equilíbrio térmico também está intimamente relacionado com a segunda lei da termodinâmica, que diz que a entropia de um sistema fechado tende sempre a aumentar. Em outras palavras, os sistemas tendem naturalmente para um estado de equilíbrio, onde a energia é distribuída uniformemente e não há diferenças de temperatura para impulsionar o fluxo de calor.
Isto tem implicações muito importantes para a eficiência energética.
Por exemplo, numa máquina térmica, o objetivo é aproveitar a diferença de temperatura entre dois corpos para realizar trabalho. Porém, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, sempre haverá perdas de energia devido à tendência do sistema em atingir o equilíbrio térmico.