Explique el equilibrio térmico con un ejemplo
El calor nos es familiar a todos. Podemos sentir el calor que entra en nuestro cuerpo por el sol del verano o por el café o el té calientes después de un paseo invernal. También podemos sentir el calor que sale de nuestro cuerpo cuando sentimos el frío de la noche o el efecto refrescante del sudor después del ejercicio.
¿Qué es el calor? ¿Cómo lo definimos y cómo se relaciona con la temperatura? ¿Cuáles son los efectos del calor y cómo fluye de un lugar a otro? Descubriremos que, a pesar de la riqueza de los fenómenos, un pequeño conjunto de principios físicos subyacentes une estos temas y los relaciona con otros campos. Comenzamos examinando la temperatura y cómo definirla y medirla.
El concepto de temperatura ha evolucionado a partir de los conceptos comunes de frío y calor. La definición científica de temperatura explica algo más que nuestros sentidos del frío y el calor. Como ya habrás aprendido, muchas magnitudes físicas se definen únicamente en función de cómo se observan o miden, es decir, se definen operacionalmente. La temperatura se define operativamente como la cantidad que medimos con un termómetro. Como veremos en detalle en un capítulo posterior sobre la teoría cinética de los gases, la temperatura es proporcional a la energía cinética media de traslación, hecho que proporciona una definición más física. Las diferencias de temperatura mantienen la transferencia de calor, o transferencia de calor, en todo el universo. La transferencia de calor es el movimiento de energía de un lugar o material a otro como resultado de una diferencia de temperatura. (Aprenderás más sobre la transferencia de calor más adelante en este capítulo).
Respuestas a la hoja de trabajo sobre temperatura y equilibrio térmico
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. Es la llamada ley zeroth de la termodinámica.
Ejercicios de calor y temperatura
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].
Física del calor y la temperatura
El equilibrio térmico es una condición que se alcanza cuando no hay un flujo neto de energía térmica entre dos o más sistemas termodinámicos u objetos que están asociados de forma que permiten la transferencia de energía (también conocido como contacto térmico).
Uno de los ejemplos más comunes de equilibrio térmico que observamos en nuestra vida cotidiana es el de un cubito de hielo derritiéndose en una habitación. Esto ocurre debido a la gran diferencia de temperatura entre el hielo y el aire que rodea el vaso. El cubo de hielo se derretirá gradualmente y alcanzará la temperatura del aire con el paso del tiempo, y sólo un ligero descenso de la temperatura del aire dará lugar a un equilibrio térmico entre el hielo y el aire que lo rodea.
El equilibrio térmico se consigue cuando dos objetos en contacto térmico alcanzan la misma temperatura. En otras palabras, se alcanza cuando no hay más flujo neto de energía térmica entre los objetos en contacto térmico.
Dos o más objetos o sistemas termodinámicos están conectados de forma que la energía puede transferirse, lo que se conoce como contacto térmico, y sin embargo no hay flujo neto de energía térmica entre ambos.
