Equilibrio térmico

Las ideas con respecto al origen y a la naturaleza del término calor, han venido variando durante los últimos siglos. El equilibrio térmico se enfoca en comprender el comportamiento que tienen los sistemas físicos con respecto a las ideas del calor y la temperatura. El ámbito de la física térmica es notable y es aplicado en gran medida a todos los sistemas de conocimientos de la física térmica para poder comprender mejor la física. El equilibrio térmico es un estado en el cual se igualan las temperaturas que tienen dos cuerpos que al inicio tenían diferentes temperaturas, suspendiendo el flujo de calor para lograr un equilibrio adecuado.

Temas relacionados

Energía térmica, termodinámica, conductividad térmica

¿Qué es el equilibrio térmico?

El equilibrio térmico es un proceso que incluye el hecho que dos sistemas que están en contacto uno con otro tienen una temperatura uniforme, es un estado al que tienden los sistemas cuando entran en contacto entre sí.

En qué consiste el equilibrio térmico

El equilibrio térmico consiste en la regulación de las temperaturas de dos cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas en donde el cuerpo que tiene más temperatura, le cede una parte de su energía al cuerpo que tiene menos temperatura hasta lograr que se iguales. Es un estado en el cual se emparejan las temperaturas de los cuerpos que al inicio, tenían diferentes temperaturas. Cuando esto sucede, se suspende el flujo de calor entre los cuerpos alcanzando de esta manera el correcto equilibrio.

Para qué sirve

El equilibrio térmico nos sirve para poder entender algunos aspectos del funcionamiento de los diferentes procesos que se dan en la naturaleza, para entender la forma en cómo se dan pérdidas de energía en las máquinas y para desarrollar una mejor eficiencia en las máquinas.

Qué dice el principio de equilibrio térmico

De forma teórica, el principio de equilibrio térmico es un aspecto fundamental de la Ley Cero, la cual nos dice que si dos sistemas que se encuentran separados están en un mismo momento en un equilibrio térmico con un tercer sistema, los primeros se encuentran en equilibrio térmico uno con el otro. Es un principio muy importante que se aplica en la termodinámica, la cual es la rama de la física que se encarga de describir los diferentes estados de equilibrio que se dan en un nivel.

Explicación

Cuando un cuerpo se encuentra caliente es fácil de reconocer, pero es difícil en ocasiones explicar la razón para que esto ocurra o de establecer el tipo de proceso en el interior del mismo para que se presente esta situación. Cuando un cuerpo se calienta, las partículas dentro de él empiezan a moverse rápidamente; mientras más caliente esté el objeto, sus partículas tendrán más velocidad.

Asumiendo este movimiento de partículas, es necesario saber qué pasa cuando dos agrupaciones de partículas entran en contacto. Cuando los dos sistemas tienen partículas moviéndose a distintas velocidades, las que se mueven a una velocidad inferior se aceleran, y las que se mueven a velocidad superior se enlentecen; en otras palabras, encuentran un equilibrio. El proceso debe tener en cuenta los procesos del mundo que experimentamos mediante los sentidos. En el caso de dos objetos, el caliente pasará su calor al más frío hasta que alcancen un equilibrio que los lleve a expresar la misma temperatura.

Cálculo

La ecuación que nos demuestra la cuantificación de la cantidad de calor que es intercambiada en las transferencias entre los cuerpos es la siguiente:

Q = M * C * ΔT

En donde:

• Q representa la cantidad de calor la cual es expresada en calorías
• M representa la masa del cuerpo en estudio
• C representa el calor específico que tiene el cuerpo
• ΔT representa la diferencia de temperatura.

Existe además otra ecuación importante para lograr tener una idea de equilibrio térmico. Esta ecuación intenta expresar la temperatura que tendrá el sistema cuando esté unificado. Cuando un sistema de N1 partículas, que está a temperatura T1, entra en contacto con otro sistema de N2, la temperatura de equilibrio se obtiene mediante la fórmula:

(N1*T1 + N2*T2)/(N1+N2)

Cuando ambos subsistemas tienen la misma cantidad de partículas, la temperatura de equilibrio disminuye a un promedio entre las dos temperaturas iniciales.

Experimentos

Procedimiento

• Medir la temperatura ambiente.
• Colocar una lata dentro de un vaso con agua y medir la temperatura del agua y de la arena.
• Repetimos los pasos cada tres minutos, y anotar los datos en un cuadro de valores.
• Graficamos t=f (tiempo) para el agua y la arena.

Luego de un tiempo se registran las siguientes temperaturas finales del agua, la arena y el ambiente:

Temperatura del agua = 15°C t arena = 15°C t ambiente = 15 °C

Observaciones

Con forme pasa el tiempo se puede observar que:

• La temperatura del agua disminuye.
• La temperatura de la arena aumenta.
• Las dos temperaturas se igualan aproximadamente en 50°C.
• Cuando se igualan las temperaturas disminuyen.

Ejemplos de equilibrio térmico

Algunos ejemplos de equilibrio térmico son los siguientes:

Cuando se hace la medición de la temperatura del cuerpo por medio de un termómetro. La duración que debe tener el termómetro cuando está en contacto con el cuerpo para cuantificar correctamente los grados de temperatura se debe al tiempo que tarda en alcanzarse el equilibrio térmico.

Los productos que se venden de forma natural probablemente estuvieron en una heladera. Sin embargo, luego de cierto tiempo que han estado fuera de la heladera y que han estado en contacto con el medio natural, alcanzaron el equilibrio térmico con este.

Cuando una persona sale de la ducha, puede ser que experimente un frío, esto debido a que el cuerpo había entrado en equilibrio con el agua caliente, y por esta razón deberá entrar en equilibrio con el ambiente.

Cuando se agrega agua fría a una tasa que contiene agua caliente, donde muy velozmente se alcanza el equilibrio en una temperatura más fría que la original.