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Aqui você vai entender o que é equilíbrio térmico e troca de calor

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A natureza se equilibra?

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Em nosso cotidiano, é muito comum ouvirmos que é necessário ter equilíbrio em tudo. Essa recomendação surge, por exemplo, em programas de televisão, principalmente aqueles relacionados a autoajuda, saúde, dietas etc.

Na área esportiva, comentaristas falam que é preciso equilíbrio entre o ataque e a defesa nos times de futebol, senão a equipe pode ficar vulnerável durante as partidas que disputa.

Os economistas, por sua vez, afirmam que o equilíbrio entre receitas e despesas no orçamento do governo é fundamental para a estabilidade econômica. Já os políticos pregam o equilíbrio de forças militares entre países vizinhos para que não ocorram guerras.

Mas é realmente necessário que haja equilíbrio em tudo na natureza?

O conceito de equilíbrio está relacionado ao fato de um objeto (ou sistema) se manter inalterado

O conceito de equilíbrio está relacionado ao fato de um objeto (ou sistema) se manter constante, inalterado. Ou seja, seus parâmetros físicos não mudam com o tempo, não evoluem.

Quando temos um carro parado em uma rampa, por exemplo, várias forças estão aplicadas sobre ele, como a da gravidade, a força de atrito entre os pneus e o chão, a força que o freio exerce para evitar que as rodas se movimentem e a força de contato do carro com a superfície (chamada de força normal). Essas forças se equilibram de tal forma que o carro permanece parado.

Outra situação é a do equilíbrio térmico, quando dois corpos estão na mesma temperatura. Ao usarmos um termômetro clínico para medir a temperatura do nosso corpo, aguardamos alguns minutos para que o termômetro entre em equilíbrio térmico com o corpo e depois realizamos a leitura da temperatura.

Estudar objetos da natureza em condições próximas à de equilíbrio é mais fácil do que quando eles não estão nessa situação. Da mesma maneira, é mais fácil entender o comportamento das pessoas quando elas estão física e emocionalmente equilibradas. Lidar com mudanças bruscas de comportamento é mais difícil, assim como prever as propriedades dos sistemas quando eles saem bruscamente do equilíbrio.

Mas a ocorrência de desequilíbrios é a responsável pela modificação dos sistemas. E justamente quando isso acontece é que as coisas podem se tornar interessantes.

Desequilíbrio vital

A vida na Terra deve ter surgido há cerca de 4 bilhões de anos. Por meio de algum processo do qual ainda não temos absoluta certeza, uma certa molécula aprendeu a fazer cópias de si mesma, ou seja, permitiu que as configurações nela existentes pudessem ser duplicadas. Assim, as informações dessa molécula foram propagadas com o passar do tempo.

Todas as formas de vida somente sobrevivem devido ao constante recebimento de energia do meio exterior

Se isso ocorresse sempre da mesma maneira, não haveria nada de novo e essa molécula não evoluiria. Entretanto, devido a mudanças e desequilíbrios do ambiente, essa molécula se aprimorou ao longo do tempo e permitiu a formação de estruturas mais complexas. Esse processo levou ao aparecimento das primeiras bactérias e, passados bilhões de anos, resultou em formas de vida tão complexas como nós.

Todas as formas de vida somente sobrevivem devido ao constante recebimento de energia do meio exterior. Desde seres mais simples - como as plantas, que utilizam a luz do Sol como fonte direta de energia - aos mais complexos - como os humanos, que necessitam ingerir alimentos mais elaborados -, se não houver troca de energia, os organismos não funcionam.

O nosso corpo e o de todos os organismos vivos funcionam como máquinas térmicas. Absorve-se energia a partir dos alimentos e a nossa fisiologia usa parte dessa energia para o funcionamento do nosso corpo. A outra parte é perdida na forma de calor.

Como a temperatura do nosso corpo normalmente é maior que a do ambiente, há um fluxo de calor do nosso corpo para o ambiente. Se fosse o contrário, o nosso organismo não funcionaria. Por isso, o nosso corpo desenvolveu mecanismos mais sofisticados para poder controlar sua temperatura, permitindo que o calor saia do corpo em dias muito quentes. Um desses mecanismos é o suor, que, ao evaporar, ajuda a fazer a troca de calor com o ambiente.

A física e o equilíbrio

O desequilíbrio é essencial para modificar qualquer parâmetro físico de um sistema na natureza. Por exemplo: um barco no meio de um lago onde não existe qualquer brisa ou movimento na água permanece parado. Embora esteja em contato com um grande reservatório térmico (o lago), o barco não consegue absorver a energia térmica contida na água, para que, de alguma forma, ela seja usada para movimentá-lo, pois o barco está em equilíbrio térmico com o lago.

Para que ocorra movimento, é necessário quebrar esse equilíbrio. Por isso, o motor do barco transforma a energia química contida nas ligações entre as moléculas de combustível em calor. Essa energia térmica é liberada no interior dos pistões do motor, que empurram as turbinas e, assim, impulsionam o barco, realizando o que chamamos de trabalho (energia transferida pela força usada para movimentar o barco durante o seu deslocamento). Uma parte da energia produzida é transferida para o lago, aquecendo-o levemente.

Essa história nos remete à 2ª lei da termodinâmica, que pode ser descrita como: "Um processo cujo único resultado efetivo é retirar calor de um reservatório e convertê-lo em trabalho é impossível". Esse enunciado é conhecido como o de Kelvin-Planck, por ter sido elaborado pelo físico britânico William Thomson (1824-1907), também chamado de Lorde Kelvin, e pelo físico alemão Max Planck (1858-1947).

Outra forma equivalente de expressar o mesmo princípio foi apresentada pelo físico alemão Rudolf Clausius (1822-1888) e diz que "o calor por si mesmo jamais flui de um objeto mais frio para um mais quente ".

A vida em nosso planeta existe porque há um fluxo constante de energia do Sol para a Terra, vital para que ocorram os processos biológicos

A 2ª lei da termodinâmica mostra que as trocas de energia entre sistemas somente podem ocorrer quando existe um desequilíbrio. A vida em nosso planeta, por exemplo, existe devido ao fato de que a temperatura na superfície do Sol (em torno de 6.000 ºC) é mais alta do que a da Terra (25 ºC), o que permite um fluxo constante de energia, vital para que ocorram os processos biológicos.

Embora a procura pelo equilíbrio seja algo importante em nossa vida, são os desequilíbrios que promovem as transformações, seja nos processos físicos, seja em nosso cotidiano. No caso dos processos físicos, essas mudanças seguem leis naturais. Quanto a nós, temos a capacidade de escolher os caminhos que queremos tomar. Mas, se tudo no universo estivesse em equilíbrio, não estaríamos nem aqui para pensar sobre essas questões.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos

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Em nosso cotidiano, é muito comum ouvirmos que é necessário ter equilíbrio em tudo. Essa recomendação surge, por exemplo, em programas de televisão, principalmente aqueles relacionados a autoajuda, saúde, dietas etc. Na área esportiva, comentaristas falam que é preciso equilíbrio entre o ataque e a defesa nos times de futebol, senão a equipe pode ficar vulnerável durante as partidas que disputa.

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ATIVIDADE
Quando necessário, realize os cálculo justificando sua resposta.