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 cero de la termodinámica . Se dice que un sistema está en equilibrio térmico consigo mismo si la temperatura dentro del sistema es uniforme en el espacio y constante en el tiempo.
Los sistemas en equilibrio termodinámico siempre están en equilibrio térmico, pero lo inverso 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 una instancia 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 y Yngvason, el significado esencial de la relación de equilibrio térmico incluye que es reflexiva y simétrica. No está incluido 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 cero de la termodinámica", que el equilibrio térmico es una relación transitiva. Comentan que las clases de equivalencia de sistemas así establecidas se llaman isotermas. [1]
El equilibrio térmico de un cuerpo en sí se refiere al cuerpo cuando está aislado. El contexto es que no entra ni sale calor de él y que se le permite un tiempo ilimitado para que se estabilice con sus propias características intrínsecas. Cuando está completamente asentado, de modo que ya no se detectan cambios macroscópicos, se encuentra en su propio equilibrio térmico. No se implica 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 encuentra en su propio estado de equilibrio térmico interno. Podría ser sometido a una operación termodinámica ficticia de partición en dos subsistemas separados por nada, ninguna pared. Se podría entonces 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 lo tanto estarán en una relación de equilibrio térmico entre sí. Tal aventura podría llevarse a cabo de un número indefinido de maneras, con diferentes particiones ficticias. Todas ellas darán como resultado subsistemas que podrían demostrar estar 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 la primera ley de la termodinámica. [6] Existe una notable excepción para los sistemas cuánticos aislados que están localizados en muchos cuerpos y que nunca alcanzan el equilibrio térmico interno.
El calor puede fluir hacia dentro o hacia fuera de un sistema cerrado por conducción térmica o por radiación térmica hacia o desde un depósito térmico, y cuando este proceso está efectuando 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 se preparan cuerpos con estados estacionarios microscópicos separados y luego se los pone en conexión puramente térmica entre sí, por vías conductivas o radiactivas, estarán en equilibrio térmico entre sí justo cuando la conexión no sea seguida por ningún cambio en ninguno de los cuerpos. Pero si inicialmente no están en una relación de equilibrio térmico, el calor fluirá del más caliente al más frío, por cualquier vía, conductiva o radiactiva, 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 exclusivamente radiativa, sin importar cuán separados estén o qué obstáculos parcialmente obstructivos, reflectantes o refractarios se interpongan en su camino de intercambio radiativo, sin moverse uno con respecto al otro, intercambiarán radiación térmica, en total el más caliente transferirá energía al más frío, e intercambiarán cantidades iguales y opuestas sólo cuando estén a la misma temperatura. En esta situación, entran en juego la ley de igualdad de emisividad y absortividad radiativas 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 todo su recorrido, pero no necesariamente un estado de equilibrio termodinámico, si existe alguna barrera estructural que pueda impedir que algunos posibles procesos en el 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 de varios subsistemas separados entre sí por paredes. Si un sistema físico inicialmente no homogéneo, sin paredes internas, se aísla mediante una operación termodinámica, en general, con el tiempo cambiará su estado interno. O si está compuesto de varios subsistemas separados entre sí por paredes, puede cambiar su estado después de una operación termodinámica que cambie sus paredes. Tales 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 en un extremo y fría en el otro, cuando se aísla, cambiará de modo que su temperatura se vuelva uniforme a lo largo de toda su longitud; durante el proceso, la barra no está en equilibrio térmico hasta que su temperatura sea 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 estará en equilibrio térmico; pero eventualmente, el sistema se asentará a una temperatura uniforme.
Estos cambios en sistemas aislados son irreversibles en el sentido de que, si bien un cambio de este tipo 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 una gran parte del contenido de la segunda ley de la termodinámica . Los sistemas verdaderamente perfectamente aislados no ocurren en la naturaleza y siempre se preparan artificialmente.
Se puede considerar un sistema contenido en un recipiente de aislamiento adiabático muy alto 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 exterior como la Tierra. Se asentará en un estado de temperatura uniforme en todo su interior, aunque no de presión o densidad uniformes, y quizás contenga varias fases. Entonces está 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 probarse en términos termodinámicos macroscópicos, mediante el cálculo de variaciones, utilizando el método de multiplicadores de Langrang. [9] [10] [11] [12] [13] [14] Consideraciones de teoría cinética o mecánica estadística también respaldan esta afirmación. [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21]
Existe una distinción importante entre el equilibrio térmico y el termodinámico . Según Münster (1970), en los estados de equilibrio termodinámico, las variables de estado de un sistema no cambian a una velocidad medible. Además, "la condición 'a una velocidad medible' 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 dado de materia. Un solo cuerpo aislado puede comenzar en un estado que no sea de equilibrio termodinámico y puede cambiar hasta que se alcance 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 una partición 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 se puede permitir que dos sistemas intercambien calor, pero se les puede restringir el intercambio de 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 se les permite también intercambiar trabajo. [23]
Otra distinción explícita entre "equilibrio térmico" y "equilibrio termodinámico" la hace BC Eu. Considera dos sistemas en contacto térmico, uno un termómetro, el otro un sistema en el que se están produciendo varios procesos irreversibles. Considera el caso en el que, a lo largo de la escala de tiempo de interés, sucede que tanto la lectura del termómetro como los procesos irreversibles son constantes. En ese caso, hay equilibrio térmico sin equilibrio termodinámico. Eu propone, en consecuencia, que la ley cero de la termodinámica puede considerarse aplicable incluso cuando no existe equilibrio termodinámico; propone también que si los cambios se están produciendo tan rápido que no se puede definir una temperatura constante, entonces "ya no es posible describir el proceso mediante un formalismo termodinámico. En otras palabras, la termodinámica no tiene sentido para un proceso de ese tipo". [24]
Un planeta está en equilibrio térmico cuando la energía incidente que le llega (normalmente la irradiancia solar de su estrella madre) es igual a la energía infrarroja irradiada al espacio.