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
, espessura
e condutividade térmica
diz que
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
. Nesse ponto o fluxo de calor torna-se
, 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
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.
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.