Questão de Física — Física Térmica - Termologia — FGV 2026

Trocas de calor e equilíbrio térmico em trocadores de calor

Gabarito: letra E. O equilíbrio térmico em um trocador de calor é atingido quando não há mais fluxo líquido de calor entre os fluidos, ou seja, quando a transferência de energia térmica cessa. Isso ocorre porque o calor flui espontaneamente do corpo mais quente para o mais frio, e o equilíbrio é definido pela igualdade de temperaturas (Lei Zero da Termodinâmica), mas em um trocador de calor em operação contínua, os fluidos não atingem a mesma temperatura — eles trocam calor enquanto há diferença de temperatura entre eles.

O conceito central aqui é o de equilíbrio térmico. Na termodinâmica, dois sistemas estão em equilíbrio térmico quando estão à mesma temperatura, e nessa condição não há transferência líquida de calor entre eles. A transferência de calor sempre ocorre do corpo de maior temperatura para o de menor temperatura, conforme a Segunda Lei da Termodinâmica. No contexto de um trocador de calor casco e tubos, a água de resfriamento entra a 18 °C e sai a 25 °C, enquanto o fluido de processo esfria de 70 °C para 40 °C. Isso significa que o fluido de processo está sempre mais quente que a água de resfriamento, então o calor flui do fluido de processo para a água. O equilíbrio térmico seria atingido se ambos os fluidos chegassem à mesma temperatura, mas em um trocador de calor real, isso não acontece porque os fluidos estão em fluxo contínuo e o calor é constantemente removido. O equilíbrio, no sentido de cessação do fluxo de calor, só ocorreria se as temperaturas se igualassem, o que não é o caso aqui. A alternativa E captura a essência: o equilíbrio térmico é definido pela ausência de fluxo líquido de calor, que é a condição para que não haja mais troca de energia térmica.

A pegadinha da questão está em confundir o equilíbrio térmico com a igualdade de temperaturas. Em um trocador de calor, os fluidos nunca atingem a mesma temperatura porque o processo é contínuo — a água entra fria e sai mais quente, mas ainda mais fria que o fluido de processo. O equilíbrio térmico, no sentido estrito, seria a igualdade de temperaturas, mas a questão pergunta quando o sistema atinge equilíbrio térmico, e a resposta correta é quando não há mais fluxo líquido de calor, que é a condição que define o equilíbrio. As outras alternativas apresentam condições que não correspondem ao equilíbrio térmico: os fluidos não atingem a mesma temperatura (A), a água não para de circular (B), o fluido de processo não se iguala à ambiente (C), e a diferença de temperatura entre entrada e saída não é zero (D).

Para entender melhor, considere um exemplo simples: se você coloca uma xícara de café quente em uma sala fria, o café esfria até atingir a temperatura da sala. Nesse ponto, não há mais fluxo de calor entre o café e o ambiente — eles estão em equilíbrio térmico. No trocador de calor, o mesmo princípio se aplica, mas como os fluidos estão em movimento, o equilíbrio só seria atingido se as temperaturas se igualassem, o que não ocorre na prática. A questão explora exatamente essa distinção: o equilíbrio térmico é a condição de ausência de fluxo líquido de calor, não a igualdade de temperaturas em si.

Agora, vamos analisar cada alternativa em detalhe.

Alternativa A — ❌ Incorreta

Afirma que o equilíbrio térmico ocorre quando os dois fluidos atingem a mesma temperatura. Isso é a definição de equilíbrio térmico, mas no contexto de um trocador de calor, os fluidos não atingem a mesma temperatura porque estão em fluxo contínuo. A água entra a 18 °C e sai a 25 °C, enquanto o fluido de processo esfria de 70 °C para 40 °C — eles nunca se igualam. A alternativa confunde a condição de equilíbrio com a igualdade de temperaturas, que é uma consequência do equilíbrio, mas não é o que ocorre no trocador.

Alternativa B — ❌ Incorreta

Afirma que o equilíbrio térmico ocorre quando a água de resfriamento para de circular. Isso não tem relação com o equilíbrio térmico. A água pode parar de circular, mas isso não significa que os fluidos estejam em equilíbrio térmico — eles ainda teriam temperaturas diferentes e o calor continuaria fluindo. A alternativa é um distrator que não corresponde a nenhuma condição física relevante.

Alternativa C — ❌ Incorreta

Afirma que o equilíbrio térmico ocorre quando a temperatura do fluido de processo se iguala à ambiente. Isso não é correto, pois o equilíbrio térmico é entre os dois fluidos do trocador, não com o ambiente. Além disso, o fluido de processo esfria de 70 °C para 40 °C, mas não necessariamente até a temperatura ambiente. A alternativa confunde o equilíbrio entre os fluidos com o equilíbrio com o ambiente externo.

Alternativa D — ❌ Incorreta

Afirma que o equilíbrio térmico ocorre quando a diferença de temperatura entre entrada e saída for zero. Isso não é correto, pois a diferença de temperatura entre entrada e saída de um fluido não define o equilíbrio térmico. No trocador, a água entra a 18 °C e sai a 25 °C, então a diferença é de 7 °C, e o fluido de processo entra a 70 °C e sai a 40 °C, diferença de 30 °C. Essas diferenças não são zero, mas o sistema ainda está trocando calor. A alternativa confunde a diferença de temperatura com o equilíbrio térmico.

Alternativa E — ✅ Correta ⟵ GABARITO

Afirma que o equilíbrio térmico ocorre quando não há mais fluxo líquido de calor entre os fluidos. Isso é exatamente a definição de equilíbrio térmico: quando dois sistemas estão à mesma temperatura, não há transferência líquida de calor entre eles. No trocador de calor, enquanto há diferença de temperatura, há fluxo de calor; quando as temperaturas se igualam, o fluxo cessa e o sistema atinge o equilíbrio. A alternativa captura a essência do conceito, pois o equilíbrio térmico é definido pela ausência de fluxo líquido de calor.

Gabarito: letra E — o equilíbrio térmico é atingido quando não há mais fluxo líquido de calor entre os fluidos.