Disciplina: Física

Frente: Térmicos

Professor responsável: Leonardo Fortes

Tema: Equilíbrio termodinâmico

Resumo:

Equilíbrio termodinâmico:

Um Corpo está em equilíbrio termodinâmico com seu meio, dentro das

condições que está submetido, se é incapaz de uma mudança espontânea, enquanto

não variarem essas condições.

Condições:

Equilíbrio térmico: temperatura igual em todo o sistema

Equilíbrio mecânico: não há variação de pressão

Equilíbrio de fase: massa constante de cada fase

Equilíbrio químico: composição não muda com o tempo

É importante notar a diferença entre equilíbrio térmico e equilíbrio termodinâmico,

no caso do primeiro, é considerada apenas a temperatura como parâmetro de

comparação (primeira das condições citadas acima), já no segundo, são consideradas

temperatura, pressão, composição, e massa das fases (todas as condições impostas

acima).

Lei Zero da Termodinâmica:

“Quando dois corpos estão em igualdade de temperatura com um terceiro corpo, eles

terão igualdade de temperatura entre si.”

Figura 2 – Se os corpos A e B estão em equilíbrio térmico com o corpo C, então, os corpos A e B estão

em equilíbrio térmico entre si.

Trocas de calor

Em um sistema termicamente isolado, também chamado de adiabático, quando

são colocados dois ou mais corpos em temperaturas diferentes, há troca de calor entre

eles, podendo ser na forma de calor latente ou sensível, até que seja atingido o

equilíbrio térmico, podendo ser descrito, então, pela fórmula a seguir.

Eq. (1)

A equação pode ser interpretada da seguinte maneira: a soma das quantidades

de calor (todas com seus respectivos sinais) é igual a zero, ou seja, todo calor que é

perdido por um corpo, é absorvido por outro, não havendo perdas, o exemplo a seguir

pode reforçar esse raciocínio.

Exemplo

É colocado em um calorímetro ideal (ou seja, recipiente termicamente isolado)

2 kg de água a 90oC e uma barra de 2 kg de alumínio a 0oC. Qual a temperatura do

sistema depois de atingido o equilíbrio térmico?

Dados: Calor específico da água:

Calor específico do alumínio:

Resolução

Nesse caso, temos dois corpos, os 2 kg de água e a barra de alumínio, sendo

que o primeiro vai de fornecer calor para o segundo até que ambos se encontrem em

equilíbrio térmico. Uma boa dica para esse caso é que a temperatura de equilíbrio

SEMPRE vai estar entre o maior e o menor valor de temperatura dos corpos que

compõe o sistema, ou seja, nesse caso: 0oC < Teq < 90oC. Vale frisar que a

temperatura de solidificação da água é de 0oC e a temperatura de fusão do alumínio é

de aproximadamente 660oC, então não haverá mudanças de estado no sistema,

apenas mudanças de temperatura. Utilizando a equação 1:

Abrindo a equação utilizando a equação de calor sensível, temos:

Substituindo os valores do enunciado:

Note que as unidades foram todas colocadas no padrão utilizado na unidade do

calor específico e, além disso, a variação de temperatura em Kelvin é igual a variação

de temperatura em graus Celsius, apesar das temperaturas serem diferentes, então,

nesse caso seria indiferente caso as temperaturas fosse dadas em Kelvin. Sabendo

que ao final do processo, para ambos os corpos: Tfinal = Tequilíbiro, então:

Fazendo a distributiva, é possível obter a resposta do problema:

Exercícios

01 - (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

02 - (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.

03 - (FEI-SP) Um sistema isolado termicamente do meio possui três corpos, um de

ferro, um de alumínio e outro de cobre. Após certo tempo verifica-se que as

temperaturas do ferro e do alumínio aumentaram. Podemos concluir que:

a) O corpo de cobre também aumentou a sua temperatura.

b) O corpo de cobre ganhou calor do corpo de alumínio e cedeu calor para o

corpo de ferro.

c) O corpo de cobre cedeu calor para o corpo de alumínio e recebeu calor do

corpo de ferro.

d) O corpo de cobre permanece com a mesma temperatura.

e) O corpo de cobre diminuiu a sua temperatura.

04 - (FATEC-SP) Um sistema A está em equilíbrio térmico com outro B e este não

está em equilíbrio térmico com 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.

05 - (UF-ES) Misturando-se um litro de água a 70 °C e dois litros de água a 10°C

obtemos três litros de água a:

a) 70 °C b) 40 °C c) 35 °C

d) 30 °C e) 20 °C

06 - (FUVEST-SP) Um aquecedor elétrico é mergulhado em um recipiente com água a

10 °C e, cinco minutos depois, a água começa a ferver a 100 °C. Se o aquecedor não

for desligado, toda a água irá evaporar e o aquecedor será danificado. Considerando o

momento em que a água começa a ferver, a evaporação de toda a água ocorrerá em

um intervalo de aproximadamente:

Dados: Calor específico da água = 1,0 cal/(g°C)

Calor de vaporização da água = 540 cal/g

Desconsidere perdas de calor para o recipiente, para o ambiente e para o próprio

aquecedor.

a) 5 minutos. b) 10 minutos. c) 12 minutos.

d) 15 minutos. e) 30 minutos.

07 - (UFG-GO) Num piquenique, com a finalidade de se obter água gelada, misturou-

se num garrafão térmico, de capacidade térmica desprezível, 2 kg de gelo picado a

0°C e 3 kg de água que estavam em garrafas ao ar livre, à temperatura ambiente de

40oC. Desprezando-se a troca de calor com o meio externo e conhecidos o calor

latente de fusão do gelo (80 cal/g) e o calor específico da água (1 cal/g°C), a massa de

água gelada disponível para se beber, em kg, depois de estabelecido o equilíbrio

térmico, é igual a

a) 3,0. b) 3,5. c) 4,0.

d) 4,5. e) 5,0.

Respostas:

01 – D

02 – B

03 – E

04 – C

05 – D

06 – E

07 - D