Considere dois objetos com temperaturas distintas postos em contato através de uma parede diatérmica. Considere que esses objetos compõe um sistema isolado. Como você descreveria o fluxo de energia entre esses objetos? Qual a diferença entre a definição de equilíbrio térmico e a definição de estado estacionário?

Passo 1

O enunciado nos coloca dois corpos inicialmente com temperaturas diferentes, em contato através de uma parede diatérmica, formando um sistema isolado (isto é, não há troca de energia com o exterior). O que queremos é descrever o fluxo de energia (calor) entre eles e, em seguida, distinguir as definições de equilíbrio térmico e de estado estacionário. Para isso vamos usar conceitos básicos de transferência de calor e termodinâmica.

Passo 2

Enquanto as temperaturas forem distintas, haverá fluxo de calor do corpo mais quente para o corpo mais frio. Na condução através da parede diatérmica, esse fluxo obedece à lei de Fourier, que em uma forma simplificada para uma parede homogênea de área A, espessura L e condutividade térmica kappa diz que
dot Q = -,kappa,A,Tfrente - TfundoL
O sinal negativo indica que o fluxo vai no sentido de diminuir o gradiente de temperatura. Esse calor continua a ser transferido até que as temperaturas dos dois corpos se igualem.

Passo 3

Equilíbrio térmico significa que, ao final desse processo, ambos os corpos atingem uma mesma temperatura constante Teq. Nesse ponto o fluxo de calor torna-se dot Q=0, não há mais troca de energia entre eles e a entropia do sistema está no máximo permitido pelas condições de contorno.
Estado estacionário, por outro lado, refere-se a uma situação em que todas as grandezas macroscópicas (como temperaturas em cada ponto da parede e fluxos de calor) permanecem constantes no tempo, mesmo que exista um fluxo de calor não nulo. Ou seja, em regime estacionário temos
partial T(x)partial t = 0 e dot Q = constanteneq 0
Isso ocorre, por exemplo, se mantivermos permanentemente uma diferença de temperatura nas faces da parede, de modo que a condução seja contínua mas com perfil de temperatura inalterado.

Resposta

O calor flui do corpo mais quente para o mais frio segundo a lei de Fourier até que as temperaturas se igualem.
Equilíbrio térmico é o estado final em que as temperaturas se tornam iguais e o fluxo de calor zera.
Estado estacionário é uma situação em que as temperaturas e o fluxo permanecem constantes no tempo, mesmo existindo troca contínua de calor.

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