EQUILIBRIO TÉRMICO

1. ¿Qué es el equilibrio térmico?

En física, se llama equilibrio térmico al estado en que dos cuerpos en contacto mecánico, o separados por una superficie conductora, igualan sus temperaturas inicialmente dispares, debido a la irradiación de calor de uno hacia el otro hasta alcanzar un balance.

Si tenemos dos objetos en contacto, uno más caliente que otro, a medida que el tiempo transcurra ambos tenderán a alcanzar la misma temperatura y, si no hay pérdida de calor hacia otros objetos, en adelante mantendrán un equilibrio térmico, o sea, una temperatura constante.

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2. ¿En qué consiste el equilibrio térmico?

Este fenómeno puede explicarse microscópicamente, comprendiendo primero que el grado de calor (temperatura) de los objetos tiene que ver con la energía cinética promedio de sus partículas, sean átomos, moléculas, o los que convenga considerar. Este promedio es lo que comúnmente se llama en física «energía interna», por lo que a mayor energía cinética mayor energía interna y mayor temperatura del sistema.

Esa energía cinética al no ser estacionaria (que no se queda necesariamente dentro del objeto) es posible entender que dos cuerpos en contacto continúan intercambiando energía a medida que el tiempo transcurre. Y así, el punto de equilibrio térmico se alcanza cuando la energía cinética compartida entre ambos cuerpos se distribuye a lo largo de todo el sistema, o sea, de ambos cuerpos que pasan a operar como un sistema termodinámico único, dotado de una misma cantidad de energía interna y, por ende, de temperatura.

3. Fórmula del equilibrio térmico

La expresión del equilibrio térmico se da en grados centígrados, como cualquier temperatura, y es el resultado del cálculo de la diferencia de temperaturas entre los dos cuerpos, por lo que primero debe determinarse la cantidad de calor (Q) que pierde cada uno.

Esto se determina empleando la fórmula Q = m . Ce . Δt, en donde m será la masa del cuerpo, Ce su calor específico expresado en cal / gr °C, y Δt la variación de temperatura, o sea: Δt = tf – ti, tiempo final menos tiempo inicial.

Una vez calculado Q para cada cuerpo, podremos compararlos a sabiendas de que el equilibrio térmico se da en la igualdad de las temperaturas entre el cuerpo 1 y el cuerpo 2, así que Q1 = Q2, o sea, calor ganado = calor perdido. El calor que el cuerpo más frío gana es el que el cuerpo más caliente pierde.

4. Ley cero de la termodinámica

Este principio está expresado en la llamada Ley cero de la termodinámica, que fue expresada en 1931 por R. H. Fowler de la siguiente manera: “Si dos sistemas A y B se encuentran, cada uno por separado, en equilibrio térmico con un tercer sistema, que llamaremos C, entonces A y B se encuentran también en equilibrio térmico entre sí”.

O sea: si A = C y B = C, entonces A = B.

Gracias a este principio, centrado en la formulación matemática de la termodinámica, se sabe lo que Maxwell expresó en palabras de esta manera: “Todo el calor es del mismo tipo”.

5. Ejemplos de equilibrio térmico

A continuación, algunos ejemplos sencillos de equilibrio térmico:

• Cuando entramos en una habitación muy caliente, percibimos el calor del aire inmediato pero dado un margen de tiempo, nuestro cuerpo se acostumbrará y entrará en equilibrio térmico con el cuarto, así que dejaremos de percibir la diferencia de temperatura.
• Si introducimos un recipiente de vidrio con agua fría dentro de uno mayor con agua hirviendo, el flujo de la temperatura entre ambos enfriará el agua caliente y calentará la fría, hasta alcanzar un nivel de equilibrio térmico intermedio.
• Los productos que tenemos en el congelador de nuestra cocina se hallan en equilibrio térmico respecto del aire helado entre ellos, de modo que todos comparten la misma temperatura.