Equilibrio térmico: qué es, fórmula y ejemplos

El equilibrio térmico se refiere a una condición en la que dos o más sistemas en contacto térmico alcanzan una misma temperatura y, por lo tanto, dejan de intercambiar energía térmica entre sí. Este concepto es fundamental en la termodinámica y es crucial para entender cómo se comporta la energía en diferentes sistemas. Cuando dos sistemas alcanzan el equilibrio térmico, sus temperaturas se igualan, y no hay transferencia neta de calor.

La transferencia de calor implica mayores repercusiones en los sistemas que la simple nivelación de las temperaturas. El equilibrio químico puede variar otras características de la materia. Por ejemplo, el incremento de la temperatura puede cambiar el volumen de algunos cuerpos. En sistemas cerrados, la incompresibilidad de los gases acarrea un aumento de la presión. Lo mismo ocurre con la solubilidad de algunos solutos como el hidróxido de calcio, más conocido como cal hidratada, que es más insoluble con alta temperatura.

El concepto de equilibrio térmico es esencial en diversas aplicaciones científicas e industriales, desde la ingeniería hasta la climatología. En la vida cotidiana, lo observamos cuando dejamos una bebida caliente en una habitación, y con el tiempo, se enfría hasta alcanzar la temperatura ambiente. Por tanto, el equilibrio térmico es una consecuencia natural de los sistemas que puede inducirse artificialmente dependiendo del objetivo perseguido. La transferencia de calor de un sistema a otro puede darse a través de tres mecanismos físicos distintos denominados conducción, convención y radiación.

Tipos de transferencia de temperaturas

• La conducción: es un tipo de transferencia térmica común en los sólidos, donde la temperatura se transmite mediante la colisión entre las moléculas.
• La convención: consiste en el movimiento de las partículas desde las zonas más calientes a las más frías, lo que provoca cambios de densidad en los fluidos implicados.
• La radiación: se transfiere por radiación electromagnética absorbida por los cuerpos incluso a través del vacío, siendo la más importante a largas distancias.

Estos mecanismos físicos pueden actuar de manera conjunta entre los sistemas. A ellos, debe sumarse una serie de variables que hace más o menos difícil el intercambio térmico. Por ejemplo, la humedad del aire dará una sensación térmica menor a un cuerpo, aún con la misma temperatura. Por esa razón, las regiones sombreadas conservan mejor la humedad confieren una sensación más agradable que las zonas expuestas al sol.

La fórmula del equilibrio térmico puede derivarse a partir del principio de conservación de la energía. Supongamos que tenemos dos cuerpos con masas m¹ y m² con capacidades caloríficas específicas c¹ y c²​, y temperaturas iniciales T¹​ y T² respectivamente. Cuando estos cuerpos se ponen en contacto, el calor perdido por el cuerpo más caliente es igual al calor ganado por el cuerpo más frío.

Matemáticamente, esto se expresa como:

Tf =m¹c¹T¹i+m²c²T²/m¹c¹+m²c²

Donde:

• Tf es la temperatura final de equilibrio.

Esta ecuación nos permite calcular la temperatura de equilibrio cuando conocemos las masas, capacidades caloríficas y temperaturas iniciales de los dos cuerpos en contacto. Aunque las temperaturas negativas no sean comunes, es posible obtener valores negativos en la fórmula dependiendo del contexto y de la escala térmica utilizada como ocurre con la escala Celsius. Esto indica que la temperatura se encuentra por debajo del punto de congelación del agua.

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El principio cero de la termodinámica establece que, si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Este principio es fundamental porque define la temperatura de manera consistente. Por ejemplo, si tenemos tres sistemas A, B y C, y A está en equilibrio térmico con C, y B también está en equilibrio térmico con C, entonces A y B deben estar en equilibrio térmico entre sí. Este principio permite la definición de una escala de temperatura y garantiza que la medición de la temperatura sea coherente.

El principio cero es una piedra angular en la formulación de la termodinámica, ya que asegura que la temperatura es una propiedad transitable. Sin este principio, no podríamos afirmar con certeza que dos objetos a la misma temperatura de un tercero están a la misma temperatura entre ellos. La confianza en este postulado permite utilizar los termómetros dentro de las minas a fin de controlar las temperaturas, y evitar incendios o explosiones de gas, entre muchas otras aplicaciones.

• Café en una habitación: cuando sirves una taza de café caliente y la dejas en una habitación, el café pierde calor al aire circundante. Con el tiempo, el café y el aire alcanzarán la misma temperatura, llegando al equilibrio térmico.
• Calentamiento de una piscina: al encender un calentador de piscina, el agua fría comienza a absorber calor del calentador. Después de un tiempo, la temperatura del agua en la piscina se estabiliza y se iguala con la temperatura del agua que sale del calentador, alcanzando el equilibrio térmico.
• Uso de un termómetro: un termómetro mide la temperatura al alcanzar el equilibrio térmico con el objeto o medio en el que se coloca. Si colocas un termómetro en agua caliente, el mercurio (o alcohol) en su interior se expandirá hasta que la temperatura del líquido dentro del termómetro iguale la del agua.
• Enfriamiento de un metal: si se coloca un trozo de metal caliente en un recipiente con agua fría, el metal transferirá calor al agua. Con el tiempo, ambos alcanzarán una temperatura intermedia y se establecerá el equilibrio térmico.
• Extrusión de plásticos: los gránulos de plástico se calientan y se empujan a través de una matriz a temperatura ambiente que absorbe parte del calor. El equilibrio térmico garantiza que el plástico presente imperfecciones que desestabilicen sus propiedades.

Como ves, el estudio del equilibrio térmico no solo es teórico, sino que tiene aplicaciones prácticas en ingeniería, climatización, procesos industriales y la vida cotidiana. Comprender cómo los sistemas alcanzan el equilibrio térmico ayuda a diseñar mejores sistemas de calefacción, refrigeración y manejo de materiales térmicamente sensibles.

Ahora que ya sabes qué es el equilibrio térmico, no te pierdas este artículo sobre Qué es la temperatura, escalas, cómo se mide y tipos.

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