Cuando escuchamos el término "equilibrio térmico", muchas veces puede parecer complicado, pero en realidad es un concepto que se refiere a algo que vivimos diariamente, aunque no lo notemos.
El equilibrio térmico es un estado en el que dos o más cuerpos (o sistemas) alcanzan la misma temperatura y, por lo tanto, no intercambian más energía térmica entre ellos. Para entender esto de manera clara, veamos algunos detalles importantes sobre el concepto.
¿Qué es el calor?
Antes de profundizar en el equilibrio térmico, es importante entender qué es el calor.
El calor es una forma de energía que se transfiere entre cuerpos debido a la diferencia de temperatura. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío, y el proceso continúa hasta que ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura.
Este momento en que dejan de intercambiar calor es lo que llamamos equilibrio térmico.
El proceso de intercambio de calor
Imaginemos que tienes una taza de café caliente en una habitación a temperatura ambiente. Al principio, la temperatura del café es mucho mayor que la del aire alrededor. Como el café está más caliente, empieza a perder calor hacia el aire que lo rodea. Mientras tanto, el aire alrededor absorbe esa energía.
Este intercambio de calor continuará hasta que la temperatura del café y la del aire se igualen. Es en ese momento cuando ambos están en equilibrio térmico, lo que significa que ya no habrá transferencia de calor entre ellos.
Este es un ejemplo sencillo de cómo funciona el equilibrio térmico, pero lo interesante es que este fenómeno ocurre en muchos aspectos de nuestra vida cotidiana, aunque no siempre lo percibamos.
Ley cero de la termodinámica
El equilibrio térmico se entiende mejor si introducimos la ley cero de la termodinámica.
Esta ley es bastante simple y dice lo siguiente: "Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, entonces también están en equilibrio térmico entre sí". Aunque parece evidente, esta ley es fundamental para definir la temperatura como una propiedad física que puede medirse.
Imagina tres cuerpos: A, B y C. Si el cuerpo A está en equilibrio térmico con el cuerpo B, y el cuerpo B está en equilibrio térmico con el cuerpo C, la ley nos dice que A y C también deben estar en equilibrio térmico. Esto establece una relación transitoria muy útil que permite, entre otras cosas, la calibración de termómetros.
¿Cómo se alcanza el equilibrio térmico?
El equilibrio térmico puede alcanzarse a través de varios mecanismos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.
Conducción
La conducción es el proceso por el cual el calor se transfiere a través de un material sólido.
Esto ocurre cuando las moléculas de una parte más caliente del objeto vibran más rápidamente y transmiten su energía a las moléculas adyacentes, que están más frías. Un buen ejemplo de esto es cuando tocas una cuchara metálica que ha estado sumergida en una taza de sopa caliente. El calor de la sopa se transfiere a la cuchara por conducción, y si la sostienes durante suficiente tiempo, la cuchara se volverá lo suficientemente caliente como para que sientas el aumento de temperatura.
Convección
La convección es el proceso mediante el cual el calor se transfiere en fluidos (líquidos y gases) mediante el movimiento de las partículas del fluido.
Un ejemplo clásico es el de una olla de agua sobre una estufa. A medida que el agua en el fondo de la olla se calienta, se vuelve menos densa y sube hacia la superficie, mientras que el agua más fría, que es más densa, desciende. Este ciclo crea una corriente de convección, que ayuda a distribuir el calor de manera uniforme en todo el líquido.
Radiación
Por último, tenemos la radiación, que es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no requiere un medio físico para que el calor se transfiera.
Un buen ejemplo de radiación es cómo sentimos el calor del sol en la piel, incluso estando a millones de kilómetros de distancia. La energía térmica se transfiere a través del vacío del espacio mediante la radiación electromagnética.
Otro ejemplo son los colectores solares, que aprovechan la radiación solar para obtener agua caliente.
Factores que afectan el equilibrio térmico
Existen varios factores que pueden influir en la rapidez con la que se alcanza el equilibrio térmico entre dos cuerpos.
- Diferencia de temperatura inicial: Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre dos cuerpos, más rápido será el proceso de intercambio de calor. Por ejemplo, si viertes agua hirviendo en un vaso a temperatura ambiente, el proceso de enfriamiento inicial será rápido, pero se ralentizará a medida que el agua y el ambiente se acerquen a la misma temperatura.
- Propiedades térmicas de los materiales: Algunos materiales son mejores conductores de calor que otros. El metal, por ejemplo, es un buen conductor de calor, mientras que el aire o la madera no lo son tanto. Por eso, un objeto metálico se calentará o enfriará más rápido que uno hecho de madera cuando se coloca en contacto con una fuente de calor.
- Tamaño y forma de los cuerpos: El tamaño y la forma de los cuerpos también afectan la velocidad a la que se alcanza el equilibrio térmico. Los objetos más pequeños tienden a alcanzar el equilibrio térmico más rápidamente que los objetos más grandes, ya que tienen menos masa que calentar o enfriar. Además, los objetos con superficies más grandes tendrán una mayor tasa de intercambio de calor debido a la mayor área de contacto.
- Aislamiento: Un buen aislamiento térmico puede ralentizar el proceso de intercambio de calor y, por lo tanto, retardar el logro del equilibrio térmico. Es por eso que utilizamos aislantes en nuestras casas o termos para mantener el café caliente. Estos materiales no impiden completamente el intercambio de calor, pero lo hacen mucho más lento.
Ejemplos prácticos de equilibrio térmico
En la vida diaria, encontramos muchos ejemplos de equilibrio térmico.
Desde el momento en que te metes en una ducha caliente y sientes cómo tu cuerpo comienza a equilibrarse con la temperatura del agua, hasta cuando dejas una bebida fría sobre la mesa y, con el tiempo, se calienta hasta la temperatura ambiente. Estos son todos procesos de equilibrio térmico en acción.
Un ejemplo más interesante es el uso de termómetros. Los termómetros funcionan basándose en el principio de equilibrio térmico.
Cuando colocas un termómetro en contacto con algo, por ejemplo, tu piel, el líquido dentro del termómetro (que a menudo es mercurio o alcohol coloreado) se calienta o enfría hasta alcanzar la misma temperatura que tu piel. El termómetro deja de cambiar cuando se alcanza el equilibrio térmico, y entonces podemos leer la temperatura correcta.
Equilibrio térmico y la segunda ley de la termodinámica
El equilibrio térmico también está estrechamente relacionado con la segunda ley de la termodinámica, que dice que la entropía de un sistema cerrado siempre tiende a aumentar. En otras palabras, los sistemas tienden naturalmente hacia un estado de equilibrio, donde la energía se distribuye de manera uniforme y no hay diferencias de temperatura que impulsen el flujo de calor.
Esto tiene implicaciones muy importantes para la eficiencia energética.
Por ejemplo, en una máquina térmica, el objetivo es aprovechar la diferencia de temperatura entre dos cuerpos para realizar trabajo. Sin embargo, según la segunda ley de la termodinámica, siempre habrá pérdidas de energía debido a la tendencia del sistema a alcanzar el equilibrio térmico.