EQUILÍBRIO TERMODINÂMICO: CLASSES E APLICAÇÕES - FISICA - 2025

O equilíbrio termodinâmico de um sistema isolado é definido como um estado de equilíbrio em que as variáveis ​​que o caracterizam e que podem ser medidas ou calculadas não sofrem alterações, visto que devido ao seu isolamento não existem forças externas que tendam a modificar esse estado..

Tanto os sistemas quanto as classes de equilíbrio a serem considerados são muito diversos. Um sistema pode ser uma célula, uma bebida gelada, um avião cheio de passageiros, uma pessoa ou uma máquina, para citar apenas alguns exemplos. Eles também podem ser isolados, fechados ou abertos, dependendo se podem ou não trocar energia e matéria com o ambiente.

Os componentes do coquetel estão em equilíbrio térmico. Fonte: Pexels.

Um sistema isolado não interage com o meio ambiente, nada entra ou sai dele. Um sistema fechado pode trocar energia, mas não importa com o ambiente circundante. Por fim, o sistema aberto é livre para fazer trocas com o meio ambiente.

Bem, um sistema isolado que pode evoluir por tempo suficiente tende espontaneamente ao equilíbrio termodinâmico no qual suas variáveis ​​manterão seu valor indefinidamente. E quando se trata de um sistema aberto, seus valores devem ser os mesmos do meio ambiente.

Isso será alcançado enquanto todas as condições de equilíbrio impostas por cada tipo particular forem satisfeitas.

Classes de equilíbrio

Equilíbrio térmico

Um tipo de equilíbrio fundamental é o equilíbrio térmico, que está presente em muitas situações do dia a dia, como uma xícara de café quente e a colher com a qual o açúcar é mexido.

Tal sistema tende espontaneamente a adquirir a mesma temperatura após um certo tempo, após o qual o equilíbrio chega, pois todas as partes estão à mesma temperatura.

Quando isso acontece, há uma diferença de temperatura que impulsiona a troca de calor em todo o sistema. Cada sistema tem um tempo para atingir o equilíbrio térmico e atingir a mesma temperatura em todos os pontos, denominado tempo de relaxamento.

Equilíbrio mecânico

Quando a pressão em todos os pontos de um sistema é constante, ele está em equilíbrio mecânico.

Equilíbrio químico

O equilíbrio químico, às vezes também chamado de equilíbrio material, é alcançado quando a composição química de um sistema permanece inalterada ao longo do tempo.

Em geral, um sistema é considerado em equilíbrio termodinâmico quando está em equilíbrio térmico e mecânico simultaneamente.

Variáveis ​​termodinâmicas e equação de estado

As variáveis ​​que são estudadas para analisar o equilíbrio termodinâmico de um sistema são diversas, sendo as mais comumente utilizadas pressão, volume, massa e temperatura. Outras variáveis ​​incluem posição, velocidade e outras cuja seleção depende do sistema em estudo.

Assim, como indicar as coordenadas de um ponto permite saber a sua localização exata, conhecer as variáveis ​​termodinâmicas determina de forma inequívoca o estado de um sistema. Uma vez que o sistema esteja em equilíbrio, essas variáveis ​​satisfazem uma relação conhecida como equação de estado.

A equação de estado é uma função das variáveis ​​termodinâmicas cuja forma geral é:

Onde P é a pressão, V é o volume e T é a temperatura. Naturalmente, a equação de estado poderia ser expressa em termos de outras variáveis, mas como dito antes, essas são as variáveis ​​mais utilizadas para caracterizar sistemas termodinâmicos.

Uma das equações de estado mais conhecidas é a dos gases ideais PV = nRT. Aqui, n é o número de moles, átomos ou moléculas e R é a constante de Boltzmann: 1,30 x 10 ^-23 J / K (Joule / Kelvin).

Equilíbrio termodinâmico e a lei zero da Termodinâmica

Suponha que temos dois sistemas termodinâmicos A e B com um termômetro que chamaremos de T, que é colocado em contato com o sistema A por tempo suficiente para A e T atingirem a mesma temperatura. Nesse caso, pode-se garantir que A e T estão em equilíbrio térmico.

Com a ajuda de um termômetro, a lei zero da termodinâmica é verificada. Fonte: Pexels.

O mesmo procedimento é então repetido com os sistemas B e T. Se a temperatura de B for igual à de A, então A e B estão em equilíbrio térmico. Este resultado é conhecido como a lei zero ou princípio zero da Termodinâmica, que é formalmente declarado da seguinte forma:

E a partir deste princípio conclui-se o seguinte:

Portanto, dois corpos em contato térmico que não estão na mesma temperatura não podem ser considerados em equilíbrio termodinâmico.

Entropia e equilíbrio termodinâmico

O que leva um sistema a atingir o equilíbrio térmico é a entropia, magnitude que indica o quão próximo o sistema está do equilíbrio, sendo indicativo de seu estado de desordem. Quanto mais desordem, mais entropia existe, apenas o oposto ocorre se um sistema for muito ordenado, neste caso a entropia diminui.

O estado de equilíbrio térmico é justamente o estado de entropia máxima, o que significa que qualquer sistema isolado vai espontaneamente para um estado de maior desordem.

Agora, a transferência de energia térmica no sistema é governada pela mudança em sua entropia. Seja S a entropia e denotemos com a letra grega "delta" a mudança nela: ΔS. A mudança que leva o sistema de um estado inicial a um estado final é definida como:

Esta equação é válida apenas para processos reversíveis. Processo no qual o sistema pode retornar totalmente às suas condições iniciais e está em equilíbrio termodinâmico em cada ponto ao longo do caminho.

Exemplos de sistemas com entropia crescente

- Na transferência de calor de um corpo mais quente para outro mais frio, a entropia aumenta até que a temperatura de ambos seja a mesma, após o que seu valor permanece constante se o sistema for isolado.

- Outro exemplo de aumento da entropia é a dissolução do cloreto de sódio em água, até atingir o equilíbrio assim que o sal se dissolva completamente.

- Num sólido que se funde, a entropia também aumenta, pois as moléculas estão se movendo de uma situação mais ordenada, que é um sólido, para uma mais desordenada como um líquido.

- Em alguns tipos de decaimento radioativo espontâneo, o número de partículas resultante aumenta e com ele a entropia do sistema. Em outros decaimentos em que ocorre a aniquilação das partículas, ocorre a transformação da massa em energia cinética que eventualmente dissipa o calor, e a entropia também aumenta.

Tais exemplos destacam o fato de que o equilíbrio termodinâmico é relativo: um sistema pode estar em equilíbrio termodinâmico localmente, por exemplo, se o sistema xícara de café + colher de chá for considerado.

No entanto, o sistema xícara de café + colher + ambiente pode não estar em equilíbrio térmico até que o café tenha esfriado completamente.

Referências

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Volume 1. Mc Graw Hill. 650-672.
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4. Universidade Nacional de Rosário. Físico-químico I. Recuperado de: rephip.unr.edu.ar
5. Watkins, T. Entropy and the Second Law of Thermodynamics in Particle and Nuclear Interactions. San Jose State University. Recuperado de: sjsu.edu.
6. Wikipedia. Equilíbrio termodinâmico. Recuperado de: en.wikipedia.org.