O que acontece quando dois corpos de temperaturas diferentes entram em contato?

Calor e troca de calor

Imagine dois cubos de ferro sólidos, cada qual com massa de 1 quilograma (1 kg). Um deles está a 10ºC e o outro a 30ºC.

Se os colocarmos em contato, percebemos que, nos minutos seguintes, suas temperaturas se modificam até chegar a uma situação em que ambos apresentam a mesma temperatura, 20ºC.

Quando os dois cubos passam a ter a mesma temperatura, dizemos que eles atingiram o equilíbrio térmico.

De modo geral, dois corpos estão em equilíbrio térmico quando apresentam a mesma temperatura. Por outro lado, quando a temperatura de dois corpos é diferente, eles não estão em equilíbrio térmico. É o caso dos dois cubos de ferro no inicio do experimento.

O conceito científico de calor

Por que dois corpos que estão a temperaturas diferentes atingem o equilíbrio térmico algum tempo depois de serem colocados em contato?

A explicação dos cientistas para esse acontecimento é que há transferência de energia do corpo mais quente para o mais frio. Essa é uma regra geral da natureza: quando dois corpos estão colocados em contato, energia flui do que está com uma temperatura mais alta para o outro, que está a uma temperatura mais baixa.

A energia transferida entre dois corpos (ou partes de um mesmo corpo) que têm temperaturas diferentes é denominado calor. O calor sempre flui espontaneamente do corpo mais quente para o mais frio.

O processo é chamado de troca (ou transferência) de calor e ocorre até que o equilíbrio térmico esteja estabelecido.

Processos de troca de calor

A transferência de energia de um corpo mais quente para outro mais frio pode acontecer por três modos distintos, sobre os quais falaremos adiante: a condução, a convecção e a irradiação. Na prática a troca de calor entre dois corpos pode até envolver um, dois ou, até mesmo, todos esses três processos. Contudo é importante que você os conheça, a fim de compreender melhor alguns acontecimentos do seu dia-a-dia.

Como referenciar: "Equilíbrio térmico" em Só Biologia. Virtuous Tecnologia da Informação, 2008-2022. Consultado em 07/08/2022 às 03:49. Disponível na Internet em https://www.sobiologia.com.br/conteudos/oitava_serie/Calor3.php

Índice

Introdução

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.

Lei zero da Termodinâmica

Uma vez entendido o fenômeno do equilíbrio térmico, esse possuindo como parâmetro a igualdade de temperatura, podemos construir uma referência de temperatura para consolidar esse conceito.

Uma vez que, intuitivamente para os seres humanos, a temperatura está relacionada com a sua sensação fisiológica de quente e frio, ela é até então uma grandeza subjetiva, já que a sensação térmica pode variar de pessoa para pessoa.

Admitindo que dois corpos possuem a mesma temperatura quando estão em equilíbrio térmico, podemos adotar alguma referência para uma unidade de temperatura, mas como vamos comparar e medir a temperatura de cada corpo?

A Lei zero da termodinâmica é a lei que certifica o uso de termômetros para realizar medições de temperatura em uma escala definida, ela afirma que:

Se um corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo B e o mesmo corpo A está em equilíbrio térmico com um corpo C, então o corpo B está em equilíbrio com o corpo C.

Para entender essa lei observe o exemplo na figura a seguir:

Se o corpo A e B estão a uma mesma temperatura, em equilíbrio térmico e o corpo C está a uma mesma temperatura que A, também em equilíbrio térmico, B e C devem necessariamente estar em equilíbrio térmico. Logo o equilíbrio térmico admite a propriedade de transitividade. 

Para exemplificar essa lei vamos avaliar o uso de um termômetro clínico, o termômetro tem seu marco zero na sua graduação quando está em equilíbrio térmico com a água na iminência de solidificar \(0^\circ C\).

Ao colocar o termômetro em equilíbrio térmico com o corpo humano, o termômetro acusa uma determinada marca X na sua graduação. Pela lei zero da termodinâmica, isso equivale a dizer que se o corpo humano estivesse em equilíbrio térmico com a água, a água teria a temperatura X, logo graças a essa lei conseguimos quantificar de modo objetivo a temperatura, através de equipamentos de medidas graduadas em escalas termométricas, como Celsius, Fahrenheit ou Kelvin.

Fórmulas