Definición de equilibrio térmico en termodinámica
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El equilibrio termodinámico puede definirse como el estado terminal de un sistema macroscópico cuando se han eliminado todas las influencias externas y todas las propiedades del sistema se han vuelto independientes del tiempo. El estado macroscópico de un sistema en equilibrio termodinámico se caracteriza por unas pocas magnitudes físicas (variables termodinámicas) cuyos valores no dependen de la historia del sistema.
La mención a las “influencias externas” es importante para excluir los sistemas estacionarios que no corresponden al sistema en equilibrio (por ejemplo, un trozo de metal con temperaturas diferentes en los lados extremos; en ese caso, es posible obtener un estado estacionario pero en presencia de un flujo de calor).
El concepto aparentemente simple de equilibrio termodinámico no podía ser sencillo de comprobar en sistemas reales. Feynman, al principio de su libro sobre Mecánica Estadística, escribió que tenemos equilibrio térmico.
Definición de equilibrio térmico a nivel de física
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].
Explique el equilibrio térmico con un ejemplo
La temperatura, como sabes, mide lo caliente o frío que está un cuerpo con respecto a un objeto estándar. Para hablar de los cambios de temperatura, son importantes dos conceptos básicos: el contacto térmico y el equilibrio térmico. Dos objetos están en contacto térmico si pueden afectar a la temperatura del otro. El equilibrio térmico existe cuando dos objetos en contacto térmico ya no afectan a la temperatura del otro. Por ejemplo, si un cartón de leche del frigorífico se coloca en la encimera de la cocina, los dos objetos están en contacto térmico. Al cabo de varias horas, sus temperaturas son las mismas y se encuentran en equilibrio térmico.
Tipos de equilibrio térmico
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.
