Equilibrio térmico
[OL] Pregunta a los alumnos cuál sería la dirección del flujo de calor si se derritiera un cubito de hielo en un vaso de refresco o si se colocara un vaso de agua caliente en una habitación. Dé algunos ejemplos más. Pregunte a los alumnos cuánto tiempo duraría la transferencia de calor. ¿Qué hace que se produzca la transferencia de calor?
En el capítulo anterior aprendimos que cuando dos objetos (o sistemas) están en contacto, 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).
Ley Z de la termodinámica
La ley zeroth de la termodinámica es una de las cuatro leyes principales de la termodinámica. Proporciona una definición independiente de la temperatura sin referencia a la entropía, que se define en la segunda ley. La ley fue establecida por Ralph H. Fowler en la década de 1930, mucho después de que las leyes primera, segunda y tercera fueran ampliamente reconocidas.
La ley zeroth establece que si dos sistemas termodinámicos están en equilibrio térmico entre sí, y también por separado en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces los tres sistemas están en equilibrio térmico entre sí[1][2][3].
La ley zeroth es importante para la formulación matemática de la termodinámica. Matemáticamente, convierte la relación de equilibrio térmico entre sistemas en una relación de equivalencia, que puede representar la igualdad de alguna cantidad asociada a cada sistema. Una cantidad que es la misma para dos sistemas, si se pueden poner en equilibrio térmico entre ellos, es una escala de temperatura. La ley zeroth es necesaria para la existencia de tales escalas. Esta condición justifica el uso de termómetros prácticos[7]: 56
Primera ley de la termodinámica
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).
Equilibrio termodinámico
Las leyes de la termodinámica son las reglas fundamentales aplicables cuando un sistema termodinámico sufre algún cambio de estado. Estas leyes definen la relación entre propiedades fundamentales como la temperatura, la energía y la entropía, que caracteriza el estado de un sistema termodinámico en equilibrio termodinámico.`
Las leyes de la termodinámica parecen bastante fáciles de entender. Sin embargo, su simplicidad puede llevar a menudo a subestimar su impacto. Entre los muchos aspectos, responden a si un proceso es factible o no, si es factible, cuál es el rendimiento óptimo que se puede obtener, y muchos más. Las leyes de la termodinámica se aplican a casi todos los aspectos de la desigualdad científica de alguna manera.
Esta ley zeroth de la termodinámica es una propiedad transitiva del equilibrio térmico. La propiedad transitiva de las matemáticas es que si A=B y B=C, entonces A=C. Esta misma regla se aplica a los sistemas termodinámicos en equilibrio termodinámico.
Por ejemplo, medir la temperatura del cuerpo con un termómetro de mercurio. El cuerpo está en equilibrio térmico con la punta metálica del termómetro, y la punta metálica está en equilibrio térmico con el mercurio del interior. En consecuencia, el cuerpo está en equilibrio térmico con el mercurio.
