Dos sistemas físicos están en equilibrio térmico si no existe un flujo neto de energía térmica entre ellos cuando están conectados por un camino permeable al calor . El equilibrio térmico obedece a la ley cero 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 siempre están en equilibrio térmico, pero lo contrario no siempre es cierto. Si la conexión entre los sistemas permite la transferencia de energía como "cambio en 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 llama conexión diatérmica. Según Lieb e Yngvason, el significado esencial de la relación de equilibrio térmico incluye que es reflexiva y simétrica. No está incluido en el significado esencial sea o no transitivo. Después de discutir la semántica de la definición, postulan un axioma físico sustancial, que llaman la "ley cero de la termodinámica", de que el equilibrio térmico es una relación transitiva. Comentan que las clases de equivalencia de los sistemas así establecidos se denominan isotermas. [1]
El equilibrio térmico de un cuerpo en sí mismo se refiere al cuerpo cuando está aislado. El trasfondo es que no entra ni sale calor de él, y que se le permite un tiempo ilimitado para asentarse bajo sus propias características intrínsecas. Cuando está completamente asentado, de modo que ya no se pueden detectar cambios macroscópicos, se encuentra en su propio equilibrio térmico. No se da a entender que esté necesariamente en otros tipos de equilibrio interno. Por ejemplo, es posible que un cuerpo alcance el equilibrio térmico interno pero no esté en equilibrio químico interno; el vidrio es un ejemplo. [2]
Se puede imaginar un sistema aislado, que inicialmente no se encuentre en su propio estado de equilibrio térmico interno. Podría estar sujeto a una operación termodinámica ficticia de partición en dos subsistemas separados por nada, ninguna pared. Entonces se podría considerar la posibilidad de transferencias de energía en forma de calor entre los dos subsistemas. Mucho tiempo después de la operación de partición ficticia, los dos subsistemas alcanzarán un estado prácticamente estacionario y, por tanto, estarán en relación de equilibrio térmico entre sí. Una aventura así podría llevarse a cabo de infinitas maneras, con diferentes particiones ficticias. Todos ellos darán como resultado subsistemas que podrían demostrarse que están en equilibrio térmico entre sí, probando subsistemas de diferentes particiones. Por esta razón, un sistema aislado, que inicialmente no se encuentra en su propio estado de equilibrio térmico interno, pero que se deja durante mucho tiempo, prácticamente siempre alcanzará un estado final que puede considerarse como uno de equilibrio térmico interno. Tal estado final es uno de uniformidad espacial u homogeneidad de temperatura. [3] La existencia de tales estados es un postulado básico de la termodinámica clásica. [4] [5] Este postulado a veces, pero no con frecuencia, se denomina primera ley negativa de la termodinámica. [6] Existe una excepción notable para los sistemas cuánticos aislados que están localizados en muchos cuerpos y que nunca alcanzan el equilibrio térmico interno.
El calor puede fluir hacia o desde un sistema cerrado mediante conducción térmica o radiación térmica hacia o desde un depósito térmico, y cuando este proceso efectúa una transferencia neta de calor, el sistema no está en equilibrio térmico. Mientras continúa la transferencia de energía en forma de calor, la temperatura del sistema puede estar cambiando.
Si los cuerpos se preparan con estados microscópicos estacionarios separados y luego se ponen en conexión puramente térmica entre sí, mediante vías conductoras o radiativas, estarán en equilibrio térmico entre sí justo cuando a la conexión no le siga ningún cambio en ninguno de los cuerpos. Pero si inicialmente no están en una relación de equilibrio térmico, el calor fluirá de lo más caliente a lo más frío, por cualquier vía, conductiva o radiativa, que esté disponible, y este flujo continuará hasta que se alcance el equilibrio térmico y entonces tendrán la misma temperatura.
Una forma de equilibrio térmico es el equilibrio de intercambio radiativo. [7] [8] Dos cuerpos, cada uno con su propia temperatura uniforme, en conexión únicamente radiativa, sin importar qué tan lejos estén, o qué obstáculos parcialmente obstructivos, reflectantes o refractivos se encuentren en su camino de intercambio radiativo, sin moverse en relación con entre sí, intercambiarán radiación térmica, en definitiva el más caliente transfiriendo energía al más frío, e intercambiarán cantidades iguales y opuestas justo cuando estén a la misma temperatura. En esta situación, están en juego la ley de igualdad de emisividad y absortividad radiativa de Kirchhoff y el principio de reciprocidad de Helmholtz .
Si un sistema físico inicialmente aislado , sin paredes internas que establezcan subsistemas adiabáticamente aislados , se deja el tiempo suficiente, normalmente alcanzará un estado de equilibrio térmico en sí mismo, en el que su temperatura será uniforme en todas partes, pero no necesariamente un estado de equilibrio termodinámico. , si existe alguna barrera estructural que pueda impedir que algunos posibles procesos del sistema alcancen el equilibrio; el vidrio es un ejemplo. La termodinámica clásica en general considera sistemas idealizados que han alcanzado el equilibrio interno y transferencias idealizadas de materia y energía entre ellos.
Un sistema físico aislado puede ser no homogéneo , o puede estar compuesto por varios subsistemas separados entre sí por muros. Si un sistema físico inicialmente no homogéneo, sin paredes internas, es aislado mediante una operación termodinámica, en general cambiará con el tiempo su estado interno. O si está compuesto por varios subsistemas separados entre sí por paredes, puede cambiar de estado después de una operación termodinámica que cambie sus paredes. Dichos cambios pueden incluir cambios de temperatura o distribución espacial de la temperatura, al cambiar el estado de los materiales constituyentes. Una barra de hierro, inicialmente preparada para estar caliente por un extremo y fría por el otro, cuando se aísla cambiará de modo que su temperatura se vuelva uniforme en toda su longitud; Durante el proceso, la varilla no está en equilibrio térmico hasta que su temperatura es uniforme. En un sistema preparado como un bloque de hielo flotando en un baño de agua caliente y luego aislado, el hielo puede derretirse; durante la fusión, el sistema no está en equilibrio térmico; pero eventualmente su temperatura se volverá uniforme; el bloque de hielo no se volverá a formar. Un sistema preparado como una mezcla de vapor de gasolina y aire puede encenderse con una chispa y producir dióxido de carbono y agua; si esto sucede en un sistema aislado, aumentará la temperatura del sistema, y durante el aumento, el sistema no está en equilibrio térmico; pero eventualmente, el sistema alcanzará una temperatura uniforme.
Tales cambios en sistemas aislados son irreversibles en el sentido de que, si bien tal cambio ocurrirá espontáneamente siempre que el sistema se prepare de la misma manera, el cambio inverso prácticamente nunca ocurrirá espontáneamente dentro del sistema aislado; esto es gran parte del contenido de la segunda ley de la termodinámica . Los sistemas verdaderamente perfectamente aislados no existen en la naturaleza y siempre están preparados artificialmente.
Se puede considerar un sistema contenido en un recipiente muy alto, adiabáticamente aislante, con paredes rígidas que inicialmente contiene una distribución térmicamente heterogénea de material, dejado durante mucho tiempo bajo la influencia de un campo gravitacional constante, a lo largo de su dimensión alta, debido a un cuerpo externo como como la tierra. Se estabilizará en un estado de temperatura uniforme en todas partes, aunque no de presión o densidad uniformes, y quizás contenga varias fases. Se encuentra entonces en equilibrio térmico interno e incluso en equilibrio termodinámico. Esto significa que todas las partes locales del sistema están en equilibrio mutuo de intercambio radiativo. Esto significa que la temperatura del sistema es espacialmente uniforme. [8] Esto es así en todos los casos, incluidos aquellos de campos de fuerza externos no uniformes. Para un campo gravitacional impuesto externamente, esto puede demostrarse en términos termodinámicos macroscópicos, mediante el cálculo de variaciones, utilizando el método de los multiplicadores de Langrang. [9] [10] [11] [12] [13] [14] Consideraciones de la teoría cinética o la mecánica estadística también respaldan esta afirmación. [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
Existe una distinción importante entre equilibrio térmico y termodinámico . Según Münster (1970), en estados de equilibrio termodinámico, las variables de estado de un sistema no cambian a un ritmo mensurable. Además, "la condición 'a un ritmo mensurable' implica que podemos considerar un equilibrio sólo con respecto a procesos específicos y condiciones experimentales definidas". Además, un estado de equilibrio termodinámico puede describirse mediante menos variables macroscópicas que cualquier otro estado de un cuerpo de materia determinado. Un solo cuerpo aislado puede comenzar en un estado que no es de equilibrio termodinámico y puede cambiar hasta alcanzar el equilibrio termodinámico. El equilibrio térmico es una relación entre dos cuerpos o sistemas cerrados, en la que se permiten transferencias sólo de energía y tienen lugar a través de un tabique permeable al calor, y en la que las transferencias han continuado hasta que los estados de los cuerpos dejan de cambiar. [22]
CJ Adkins hace una distinción explícita entre "equilibrio térmico" y "equilibrio termodinámico". Admite que a dos sistemas se les podría permitir intercambiar calor pero se les impediría intercambiar trabajo; naturalmente intercambiarán calor hasta que tengan temperaturas iguales y alcancen el equilibrio térmico, pero en general, no estarán en equilibrio termodinámico. Pueden alcanzar el equilibrio termodinámico cuando también se les permite intercambiar trabajo. [23]
BC Eu hace otra distinción explícita entre "equilibrio térmico" y "equilibrio termodinámico". Considera dos sistemas en contacto térmico, uno un termómetro y el otro un sistema en el que se producen varios procesos irreversibles. Considera el caso en el que, en la escala de tiempo de interés, sucede que tanto la lectura del termómetro como los procesos irreversibles son estables. Entonces hay equilibrio térmico sin equilibrio termodinámico. En consecuencia, Eu propone que se puede considerar que la ley cero de la termodinámica se aplica incluso cuando no está presente el equilibrio termodinámico; También propone que si los cambios ocurren tan rápido que no se puede definir una temperatura estable, entonces "ya no es posible describir el proceso mediante un formalismo termodinámico. En otras palabras, la termodinámica no tiene significado para tal proceso". [24]
Un planeta está en equilibrio térmico cuando la energía incidente que llega a él (normalmente la irradiancia solar de su estrella madre) es igual a la energía infrarroja irradiada hacia el espacio.