Temperatura de equilibrio
un objeto de menor temperatura transferirá calor al objeto de menor temperatura. Los objetos se aproximarán a la misma temperatura y, en ausencia de pérdidas hacia otros objetos, mantendrán entonces una temperatura constante. Se dice entonces que están en equilibrio térmico. El equilibrio térmico es el tema de la Ley Zeroth de la Termodinámica.
Si A y C están en equilibrio térmico con B, entonces A está en equilibrio térmico con C. En la práctica, esto significa que los tres están a la misma temperatura, y constituye la base para la comparación de temperaturas. Se llama así porque precede lógicamente a la Primera y Segunda Leyes de la Termodinámica.
Hay ideas subyacentes sobre el calor asociadas a la decimoquinta ley de la termodinámica, y una de esas ideas fue expresada por Maxwell como “Todo el calor es del mismo tipo”. Si A está en equilibrio térmico con B, entonces cada unidad de energía interna que pasa de A a B se equilibra con la misma cantidad de energía que pasa de B a A. Esto es cierto incluso si las masas atómicas de A son diferentes de las de B, e incluso si la cantidad de energía por unidad de masa en A es diferente porque el material tiene un calor específico diferente. Esto implica que hay una propiedad medible que puede considerarse igual para A y B, una propiedad de la que depende la transferencia de calor. Esa propiedad se llama temperatura.
Ley Zeroth
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En el modelo más simple de transferencia de calor, la tasa de transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura entre los dos sistemas. Esto da una curva de temperatura exponencial, para la cual la diferencia de temperatura entre los dos sistemas se aproxima a cero tanto como queramos, pero nunca llega a cero.
Sin embargo, esto es sólo un modelo aproximado de la realidad. Es similar al modelo simple de radiactividad en el que una proporción fija de una sustancia radiactiva decae en cada período de tiempo. En este modelo, el número de desintegraciones por segundo se aproxima pero nunca llega a cero. Pero en la realidad sabemos que cuando el número de átomos sin descomponer es pequeño, la tasa de descomposición se desvía de este modelo y finalmente todos los átomos se descomponen en un tiempo finito.
La ley zeroth de la Termodinámica habla de sistemas que ya están en equilibrio termodinámico. No dice nada sobre el tiempo necesario para conseguir el equilibrio. El tiempo de equilibrio depende de la eficacia de los intercambios de energía (no sólo de los intercambios térmicos, sino también de las variaciones de volumen y de los intercambios de partículas, en los sistemas simples) y de sus tiempos de relajación.
Radiación térmica
Dos sistemas físicos están en equilibrio térmico si no hay flujo neto de energía térmica entre ellos cuando están conectados por un camino permeable al calor. El equilibrio térmico obedece a la ley zerótica de la termodinámica. Se dice que un sistema está en equilibrio térmico consigo mismo si la temperatura dentro del sistema es espacialmente uniforme y temporalmente constante.
Los sistemas en equilibrio termodinámico están siempre en equilibrio térmico, pero lo contrario no siempre es cierto. Si la conexión entre los sistemas permite la transferencia de energía como “cambio de energía interna” pero no permite la transferencia de materia o la transferencia de energía como trabajo, los dos sistemas pueden alcanzar el equilibrio térmico sin alcanzar el equilibrio termodinámico.
La relación de equilibrio térmico es un caso de equilibrio entre dos cuerpos, lo que significa que se refiere a la transferencia a través de una partición selectivamente permeable de materia o trabajo; se denomina conexión diatérmica. Según Lieb e Yngvason, el significado esencial de la relación de equilibrio térmico incluye que es reflexiva y simétrica. No se incluye en el significado esencial si es o no transitiva. Después de discutir la semántica de la definición, postulan un axioma físico sustancial, que llaman la “ley zeroth de la termodinámica”, que el equilibrio térmico es una relación transitiva. Comentan que las clases de equivalencia de los sistemas así establecidos se denominan isotermas[1].
Equilibrio químico
En el capítulo anterior aprendimos que cuando dos objetos (o sistemas) están en contacto entre sí, el calor transferirá energía térmica del objeto a mayor temperatura al de menor temperatura hasta que ambos alcancen la misma temperatura. En ese momento, los objetos están en equilibrio térmico y no se producirán más cambios de temperatura si están aislados de otros sistemas. Los sistemas interactúan y cambian porque sus temperaturas son diferentes, y los cambios cesan una vez que sus temperaturas son iguales. El equilibrio térmico se establece cuando dos cuerpos están en contacto térmico entre sí, lo que significa que la transferencia de calor (es decir, la transferencia de energía por calor) puede producirse entre ellos. Si dos sistemas no pueden intercambiar energía libremente, no alcanzarán el equilibrio térmico. (Es una suerte que el espacio vacío se interponga entre la Tierra y el sol, porque un estado de equilibrio térmico con el sol sería demasiado tostado para la vida en este planeta).
Si dos sistemas, A y B, están en equilibrio térmico entre sí, y B está en equilibrio térmico con un tercer sistema, C, entonces A también está en equilibrio térmico con C. Esta afirmación puede parecer obvia, porque los tres tienen la misma temperatura, pero es básica para la termodinámica. Se denomina ley zeroth de la termodinámica.
