El Equilibrio Térmico

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El Equilibrio Térmico
El equilibrio térmico
Es un estado que se alcanza cuando varios cuerpos o sustancias en contacto tienen la misma temperatura.
Para concretar, este fenómeno sucede después de que dos o más cuerpos con diferentes temperaturas entran en contacto. El cuerpo de mayor temperatura emite una cantidad de calor que, con el tiempo, el cuerpo de menor temperatura absorbe. Cuando ambos cuerpos llegan a la misma temperatura, deja de haber intercambio de calor, lo que se denomina equilibrio térmico.
El equilibrio térmico puede producirse con sustancias diferentes o iguales, o entre una sustancia y el ambiente o medio. Por ejemplo, si tenemos un vaso de agua fría a 10 °C y la ponemos sobre la mesa, al cabo de unos minutos la temperatura del agua pasará a ser la del ambiente.
A nivel microscópico, el equilibrio térmico sucede cuando la energía cinética de las partículas es igual entre las dos sustancias. La energía cinética de las partículas es lo que determina qué temperatura tiene una sustancia.
Cuando hay una disparidad de temperaturas, la sustancia con mayor energía cinética transfiere energía en forma de calor a la sustancia con menor energía. Este fenómeno sigue produciéndose hasta igualarse las temperaturas. En dicho momento, la energía cinética sigue presente, pero es igual para ambas sustancias.
El equilibrio térmico, o en otras palabras, la temperatura final de dos cuerpos que entran en contacto, se puede calcular con una fórmula. La introducimos en la siguiente sección.
Fórmula para calcular el equilibrio térmico
· Q: es la cantidad de calor que una masa emite o absorbe, medido en joules, J.
· m: es la masa del cuerpo o la sustancia, medido en kilogramos, kg.
· Ce: es el calor específico del cuerpo o la sustancia, medido en joules por kilogramo Kelvin, J / (kg x K).
· ΔT: es la diferencia de temperatura del cuerpo entre la final y la inicial, medido en Kelvin, K. Se puede escribir como Tf - Ti (Temperatura final - Temperatura inicial). Esta diferencia también se puede calcular usando los valores de temperatura en Celsius, °C, pues las magnitudes son iguales.
Si tomamos la ecuación como referencia, se alcanza el equilibrio térmico cuando la cantidad de calor de ambos cuerpos y sustancias es la misma. Es decir, se llega al equilibrio cuando Q1 = -Q2, en el que:
· Q1: cantidad de calor absorbida por el cuerpo frío.
· -Q2: cantidad de calor emitida por el cuerpo caliente.
A raíz de lo anterior, la ecuación se puede reescribir de la siguiente forma:
Si despejamos Tf, es decir, la temperatura en equilibrio para ambos cuerpos o sustancias, tenemos:
Usando esta fórmula sabrás qué temperatura final alcanzarán dos cuerpos en contacto, siempre que sepas la temperatura inicial, calor específico y masa de cada uno.
Ejemplo de equilibrio térmico aplicando la fórmula
Imaginemos que tenemos una sustancia fría, amoniaco líquido, con los siguientes valores:
· m1 = 2 kg
· Ce1 = 4700 J / (kg x K)
· T1i = 10 °C = 283 K
Y lo depositamos en un recipiente con una sustancia más caliente, agua, la cual posee los siguientes valores:
· m2 = 5 kg
· Ce2 = 4181 J / (kg x K)
· T2i = 25 °C = 298 K
Si sustituimos los términos de la fórmula por los valores dados arriba, tenemos:
Resolvemos la fórmula y vemos que la temperatura final (Tf) es de 293,35 K, es decir, 20,35 °C. En otras palabras, ambos líquidos alcanzarán el equilibrio térmico a dicha temperatura.
Otros ejemplos cotidianos de equilibrio térmico
1. Al poner un termómetro en contacto con un líquido, el termómetro cambia de temperatura hasta llegar a la misma que la del líquido. Cuando el indicador de temperatura deja de moverse, es porque el termómetro y el líquido están en equilibrio térmico.
2. Al verter vidrio fundido sobre un molde, se ha de trabajarlo antes de que se enfríe. Esto es porque el vidrio emite rápidamente mucha energía en forma de calor, enfriándose hasta igualarse con la temperatura del molde. Cuando el vidrio se endurece, alcanza el equilibrio térmico con el molde.
3. Cuando estamos fuera, con frío, nuestro cuerpo emite calor. Sin embargo, es imposible calentar el ambiente con nuestro calor corporal; por ello, sentimos frío y no se alcanza el equilibrio térmico. Una vez entramos en un hogar con calefacción, la diferencia de temperatura es mucho menor, por lo que nuestro cuerpo se aclimata y alcanza el equilibrio térmico con el ambiente.
4. En verano, cuando sacamos un helado del congelador, al principio está bastante frío. No obstante, a menos que lo comamos rápido, el helado comienza a derretirse, igualando poco a poco su temperatura con la del ambiente. Cuando se derrite por completo, el helado alcanza el equilibrio térmico con el ambiente.