Principio del equilibrio termico

Ley zerótica de la termodinámica

[OL] Pregunte 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. ¿Cuál es la causa de 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).

Definir el contacto térmico y el equilibrio térmico

El equilibrio termodinámico es un concepto axiomático de la termodinámica. Es un estado interno de un sistema termodinámico único, o una relación entre varios sistemas termodinámicos conectados por paredes más o menos permeables o impermeables. En el equilibrio termodinámico no hay flujos netos macroscópicos de materia o de energía, ni dentro de un sistema ni entre sistemas.

Los sistemas en equilibrio termodinámico mutuo están simultáneamente en equilibrio térmico, mecánico, químico y radiativo. Los sistemas pueden estar en un tipo de equilibrio mutuo, pero no en otros. En un equilibrio termodinámico, todos los tipos de equilibrio se mantienen a la vez y de forma indefinida, hasta que son perturbados por una operación termodinámica. En un equilibrio macroscópico se producen intercambios microscópicos perfectamente o casi perfectamente equilibrados; ésta es la explicación física de la noción de equilibrio macroscópico.

Un sistema termodinámico en estado de equilibrio termodinámico interno tiene una temperatura espacialmente uniforme. Sus propiedades intensivas, aparte de la temperatura, pueden ser conducidas a la inhomogeneidad espacial por un campo de fuerza de largo alcance invariable que le impone su entorno.

Tercera ley de la termodinámica…

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.

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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].

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