O que é equilíbrio térmico?
Existem alguns conceitos na física que as pessoas entendem intuitivamente antes mesmo de terem ouvido falar deles. Como o equilíbrio térmico, que é tão parte integrante de nossas vidas que tendemos a entendê-lo por intuição.
Por exemplo, digamos que você pegou uma caneca de chá quente e a colocou no freezer. O que vai acontecer com o chá? O chá vai, é claro, esfriar. Todo mundo sabe disso. E você provavelmente também sabe que o chá continuará esfriando até que esteja na mesma temperatura do freezer – até que esteja totalmente congelado e não possa ficar mais frio. Mesmo se você estiver familiarizado com esse conceito, o que talvez não saiba é que ele é um exemplo sólido de equilíbrio térmico.
Equilíbrio térmico é o estado em que dois objetos conectados por uma barreira permeável não têm nenhuma transferência de calor entre eles. Isso acontece quando os dois objetos têm a mesma temperatura.
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Mecanismo
Temperatura é a energia cinética, ou movimento, média das moléculas de uma substância. Quando você coloca dois objetos de temperaturas diferentes em contato um com o outro, as moléculas que se movem mais rapidamente em um material colidem com as moléculas que se movem mais lentamente no outro. A energia térmica se espalhará gradualmente até que os dois objetos tenham a mesma temperatura – até que tenham alcançado o equilíbrio térmico. Isso é basicamente o mesmo que a segunda lei da termodinâmica , que afirma que o calor apenas se move espontaneamente de lugares mais quentes para lugares mais frios, nunca o contrário.
Fórmula
Se um objeto (ou sistema) está em equilíbrio termodinâmico, pode-se dizer que o sistema minimizou seu potencial termodinâmico. Existem muitos tipos de potenciais termodinâmicos citados na física, mas talvez o mais comum seja a energia livre de Helmholtz , que mede a quantidade total de trabalho útil que poderia ser extraído do sistema. A equação para a energia livre de Helmholtz é a seguinte:
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Conforme mencionado anteriormente, se o sistema atingiu o equilíbrio termodinâmico, este número estará em seu valor mínimo possível.
Exemplo
Então, digamos que você misture chá e leite até que eles atinjam o equilíbrio termodinâmico, e você queira saber qual é a quantidade máxima de energia útil que você pode tirar daquela xícara de chá, se seu corpo for perfeitamente eficiente.
A temperatura do chá e do leite (em Kelvin) é de 373 K, a energia interna total do sistema é de 3.000 Joules e a entropia do sistema é de 6 Joules por Kelvin. Insira esses números na equação:
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E você obtém 762 Joules de trabalho útil.
Resumo da lição
O equilíbrio térmico é definido como o estado em que dois objetos conectados por uma barreira permeável não têm nenhuma transferência de calor entre eles. Ou em outras palavras, dois objetos onde o calor não está sendo transferido entre os objetos, embora eles estejam conectados. Isso acontece quando eles têm a mesma temperatura . Em geral, quando dois objetos não têm a mesma temperatura, o calor é transferido porque as moléculas que se movem mais rapidamente no objeto mais quente colidem com as moléculas que se movem mais lentamente no objeto mais frio.
Um objeto em equilíbrio termodinâmico tem o valor mínimo possível de seu potencial termodinâmico. Um desses potenciais é chamado de energia livre de Helmholtz , que mede a quantidade total de trabalho útil que poderia ser extraído do sistema. Isso pode ser calculado usando a equação discutida nesta lição e está relacionado à temperatura do sistema, a entropia do sistema e a energia interna total do sistema.
Termos chave
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Equilíbrio térmico: o estado em que dois objetos conectados por uma barreira permeável não têm nenhuma transferência de calor entre eles
Temperatura: a cinética média, ou movimento, energia das moléculas em uma substância
Segunda lei da termodinâmica: o calor apenas se move espontaneamente de lugares mais quentes para lugares mais frios, nunca o contrário
Energia livre de Helmholtz: mede a quantidade total de trabalho útil que pode ser extraído do sistema
Resultados de Aprendizagem
Depois que a vídeo aula for assistida e estudada, você terá a capacidade de:
- Explique o significado de equilíbrio térmico
- Enuncie a segunda lei da termodinâmica
- Fornece um exemplo de equilíbrio termodinâmico
- Demonstre como usar a equação para energia livre de Helmholtz