Definición de Equilibrio Térmico
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD
1. El equilibrio térmico es un fenómeno físico en el que se produce una distribución uniforme de calor entre dos o más cuerpos de un sistema luego de un proceso de transferencia de energía, del mayor al menor, hasta que todos se encuentran en la misma condición, es decir, tengan la misma temperatura. Ejemplo: Sobre una bandeja, hay un bocadillo caliente y una bebida fría. Luego de unos minutos de transferencia con el medio del entorno, el snack perderá calor, y la bebida recibirá calor, de tal forma que ambos terminarán con la misma temperatura.
Cat. gramatical: Sustantivo masc.
En sílabas: e-qui-li-brio + tér-mi-co.
Equilibrio Térmico
El equilibrio térmico se refiere a un estado en el cual dos cuerpos que inicialmente se encontraban a diferente temperatura, logran igualarla mediante un proceso de transferencia de calor, lo cual puede ocurrir por diferentes métodos: conducción (se requiere que los cuerpos estén en contacto físico), por convección (cuando entre los cuerpos se encuentra un fluido) o radiación (se lleva a cabo a través de ondas electromagnéticas). Desde una perspectiva microscópica, el equilibro térmico se alcanza cuando la energía térmica entre los cuerpos es igual, ya que la temperatura se relaciona con la energía térmica de las partículas que conforman a los cuerpos.
El sentido en que ocurre la transferencia de calor antes de llegar a un estado de equilibrio térmico, es decir, el gradiente de temperatura, siempre es desde el cuerpo que se encuentra a mayor temperatura hasta el cuerpo que se tiene menor temperatura. Una vez que se alcanza el equilibrio térmico, la temperatura de los dos cuerpos será la misma.
Si sostenemos con las manos una taza que en su interior contiene un líquido caliente, podemos sentir como se calienta la piel de las manos que está en contacto con la taza. Al cabo de cierto tiempo, el líquido contenido en la taza, la taza y la piel de la palma de las manos alcanzan el equilibrio térmico, es decir, parte del calor del líquido se transfirió a la taza y a las manos hasta igualar las temperaturas (suponiendo que no hay transferencia de calor con el aire circundante).
¿De qué depende que los cuerpos alcancen un equilibrio térmico?
Como se ha mencionado, el estado de equilibrio térmico es el resultado de un proceso de transferencia de calor, y este no se da de manera instantánea, ya que depende del material de cada cuerpo (el calor específico del material), la masa de los mismos y la diferencia de temperatura entre ellos. Se puede decir entonces que para que ocurra la transferencia de calor entre dos cuerpos, estos deben interactuar (por contacto o a distancia) estando a diferente temperatura, y para que alcancen el equilibrio térmico, las temperaturas de ambos se deben igualar.
Diferencia entre calor y temperatura
Hasta ahora, la definición del equilibrio térmico ha citado dos términos que en el uso cotidiano se suelen usar indistintamente y en ocasiones, de manera errónea. A continuación, se describe cada uno:
La temperatura (T): es una cantidad física escalar que se vincula con la energía térmica que posee un sistema o cuerpo y se puede expresar en escalas absolutas (como Kelvin o Rankine), o en escalas relativas (como Celsius o Fahrenheit). La temperatura, está clasificada como una magnitud estadística, lo que significa que para medirla, se emplean magnitudes termométicas, por esta razón, los termómetros utilizan dimensiones que varían con la temperatura, como la presión de un gas, la altura de una columna de mercurio, la radiación infrarroja o una resistencia eléctrica.
La escala que muestra el termómetro está calibrada para establecer un equivalente entre la altura de la columna de mercurio en el interior del cilindro y el valor de la temperatura. En la imagen, el termómetro registra una temperatura de 36.4 °C.
El calor (Q): Se trata de un flujo de energía que ocurre entre dos o más cuerpos a través de la frontera de dicho sistema debido a la diferencia de temperatura. El calor se puede expresar en calorías (cal), la cual se refiere a la cantidad de energía que se requiere para incrementar la temperatura de 1 g de agua desde 14.5 °C a 15.5 °C. En el sistema inglés se emplea el Btu (unidad térmica británica) para denotar la energía térmica.
Nota: aunque el calor se refiere a la cantidad de energía que se intercambia durante un proceso de transferencia de calor, en Física, se suele utilizar unidades diferentes para referirse a la energía asociada a procesos mecánicos (Joule) y la energía relacionada con procesos térmicos (Btu o cal), aunque existe una equivalencia entre estas unidades, por ejemplo, 1 cal = 4.1869 J.
La siguiente expresión sirve para determinar el calor (Q) que se transfiere entre un cuerpo de masa “m” y sus alrededores en cuanto haya entre éstos divergencias en la temperatura ΔT:
Donde “c” es el calor específico del cuerpo o sustancia, o también llamada, capacidad térmica por unidad de masa.
Para comprender mejor la diferencia entre los conceptos de temperatura y calor, supongamos que se introduce en un congelador durante toda la noche dos recipientes: uno de aluminio y otro de cartón, transcurridas todas esas horas, el espacio del congelador, el envase de aluminio y el de cartón entran en equilibrio térmico, lo que significa que todos se encuentran a la misma temperatura; sin embargo, si tocamos con los dedos el recipiente de aluminio sentimos que éste se percibe “más frío” que el recipiente de cartón. Esto se debe a que a pesar de que los dos están a la misma temperatura, la capacidad de transferir calor del aluminio es mayor que la del cartón (en general, los metales suelen ser buenos conductores térmicos y los no metales no lo son).
Los bancos, árboles y la nieve se encuentran en equilibrio térmico, es decir, todos están a la misma temperatura, aunque la capacidad de transferir el calor de los materiales (madera, hojas, agua) es diferente.
La ley cero de la termodinámica
Esta ley también se le conoce como ley de equilibrio, ya que hace referencia al estado de equilibrio térmico entre tres cuerpos A, B y C y fue propuesta por el físico y astrónomo británico Ralph H. Fowler en 1931 y plantea que:
“Si dos cuerpos A y B se encuentran por separado en equilibrio térmico con otro cuerpo C, entonces se concluye que los cuerpos A y B se encuentran entre sí en equilibrio térmico”.
La imagen muestra la famosa fotografía tomada durante la conferencia “Fotones y electrones” (the Solvay Conference) en el año de 1927 donde se encontraban algunos de los científicos más destacados de la historia. En la circunferencia verde se destaca a Ralph H. Fowler.
Los cuerpos pueden ser objetos o sistemas; por ejemplo, el cuerpo C puede ser un termómetro. Si introducimos el termómetro (cuerpo C) en un recipiente con un líquido (cuerpo A) hasta que el termómetro quede en equilibrio térmico con el líquido A, es decir, cuando la temperatura que marca el termómetro permanezca constante, y aparte introducimos el mismo termómetro C dentro de otro recipiente que contiene otro fluido diferente (cuerpo B) y notamos que cuando el termómetro alcanza el equilibrio térmico con el cuerpo B marca la misma temperatura que marcaba en A, podemos decir que los tres cuerpos A, B y C se encuentran en equilibrio térmico.
Si A y C se encuentran equilibrio térmico y también B y C están en equilibrio térmico, entonces A y B se hallan en equilibrio térmico, y por lo tanto, las temperaturas de A, B y C son iguales.
Art. actualizado: Nov. 2022; sobre el original de julio, 2011.
Referencias
Serway Raymond (2015). Física para ciencias e ingeniería. Volumen 1. Novena edición. Cengage Learning. p. 594Escriba un comentario
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