Quan escoltem el terme “equilibri tèrmic”, moltes vegades pot semblar complicat, però en realitat és un concepte que es refereix a una cosa que vivim diàriament, encara que no ho notem.
L'equilibri tèrmic és un estat en què dos o més cossos (o sistemes) assoleixen la mateixa temperatura i, per tant, no intercanvien més energia tèrmica entre ells. Per entendre això de manera clara, vegem alguns detalls importants sobre el concepte.
Què és la calor?
Abans d'aprofundir en l'equilibri tèrmic és important entendre què és la calor.
La calor és una forma denergia que es transfereix entre cossos a causa de la diferència de temperatura. Aquest flux denergia sempre passa des del cos més calent cap al cos més fred, i el procés continua fins que ambdós cossos assoleixen la mateixa temperatura.
Aquest moment en què deixen d'intercanviar calor és el que anomenem equilibri tèrmic .
El procés dintercanvi de calor
Imaginem que tens una tassa de cafè calent a una habitació a temperatura ambient. Al principi, la temperatura del cafè és molt més gran que la de l'aire al voltant. Com que el cafè està més calent, comença a perdre calor cap a l'aire que l'envolta. Mentrestant, l'aire al voltant absorbeix aquesta energia.
Aquest intercanvi de calor continuarà fins que la temperatura del cafè i de l'aire s'igualin. És en aquell moment quan tots dos estan en equilibri tèrmic, cosa que significa que ja no hi haurà transferència de calor entre ells.
Aquest és un exemple senzill de com funciona l'equilibri tèrmic, però el més interessant és que aquest fenomen passa en molts aspectes de la nostra vida quotidiana, encara que no sempre ho percebem.
Llei zero de la termodinàmica
L´equilibri tèrmic s´entén millor si introduïm la llei zero de la termodinàmica.
Aquesta llei és força simple i diu el següent: "Si dos cossos estan en equilibri tèrmic amb un tercer cos, aleshores també estan en equilibri tèrmic entre si". Tot i que sembla evident, aquesta llei és fonamental per definir la temperatura com una propietat física que es pot mesurar.
Imagina tres cossos: A, B i C. Si el cos A està en equilibri tèrmic amb el cos B, i el cos B està en equilibri tèrmic amb el cos C, la llei ens diu que A i C també han d'estar en equilibri tèrmic . Això estableix una relació transitòria molt útil que permet, entre altres coses, el calibratge de termòmetres.
Com s'assoleix l'equilibri tèrmic?
L'equilibri tèrmic es pot assolir a través de diversos mecanismes de transferència de calor: conducció, convecció i radiació .
Conducció
La conducció és el procés pel qual la calor es transfereix mitjançant un material sòlid.
Això passa quan les molècules d'una part més calenta de l'objecte vibren més ràpidament i transmeten la seva energia a les molècules adjacents, més fredes. Un bon exemple és quan toques una cullera metàl·lica que ha estat submergida en una tassa de sopa calenta. La calor de la sopa es transfereix a la cullera per conducció, i si la sostens durant prou temps, la cullera es tornarà prou calenta perquè sentis l'augment de temperatura.
Convecció
La convecció és el procés mitjançant el qual la calor es transfereix a fluids (líquids i gasos) mitjançant el moviment de les partícules del fluid.
Un exemple clàssic és el duna olla daigua sobre una estufa. A mesura que l'aigua al fons de l'olla s'escalfa, es torna menys densa i puja cap a la superfície, mentre que l'aigua més freda, que és més densa, baixa. Aquest cicle crea un corrent de convecció, que ajuda a distribuir la calor de manera uniforme a tot el líquid.
Radiació
Per acabar, tenim la radiació, que és la transferència de calor a través d'ones electromagnètiques. A diferència de la conducció i la convecció, la radiació no requereix un medi físic perquè la calor es transfereixi.
Un bon exemple de radiació és com sentim la calor del sol a la pell, fins i tot estant a milions de quilòmetres de distància. L´energia tèrmica es transfereix a través del buit de l´espai mitjançant la radiació electromagnètica.
Un altre exemple són els col·lectors solars, que aprofiten la radiació solar per obtenir aigua calenta.
Factors que afecten lequilibri tèrmic
Hi ha diversos factors que poden influir en la rapidesa amb què s'assoleix l'equilibri tèrmic entre dos cossos.
- Diferència de temperatura inicial Com més gran sigui la diferència de temperatura entre dos cossos, més ràpid serà el procés d'intercanvi de calor. Per exemple, si aboqueu aigua bullint en un got a temperatura ambient, el procés de refredament inicial serà ràpid, però s'alentirà a mesura que l'aigua i l'ambient s'acostin a la mateixa temperatura.
- Propietats tèrmiques dels materials Alguns materials són millors conductors de calor que altres. El metall és, per exemple, un bon conductor de calor, mentre que l'aire o la fusta no ho són tant. Per això, un objecte metàl·lic s'escalfarà o refredarà més ràpidament que un fet de fusta quan es col·loca en contacte amb una font de calor.
- Mida i forma dels cossos La mida i la forma dels cossos també afecten la velocitat a què s'assoleix l'equilibri tèrmic. Els objectes més petits tendeixen a assolir l'equilibri tèrmic més ràpidament que els objectes més grans, ja que tenen menys massa que escalfar o refredar. A més, els objectes amb superfícies més grans tindran més taxa d'intercanvi de calor a causa de la major àrea de contacte.
- Aïllament : Un bon aïllament tèrmic pot alentir el procés d'intercanvi de calor i, per tant, retardar l'èxit de l'equilibri tèrmic. És per això que utilitzem aïllants a les nostres cases o termos per mantenir el cafè calent. Aquests materials no impedeixen completament lintercanvi de calor, però ho fan molt més lent.
Exemples pràctics dequilibri tèrmic
A la vida diària trobem molts exemples d'equilibri tèrmic.
Des del moment que et fiques en una dutxa calenta i sents com el teu cos comença a equilibrar-se amb la temperatura de l'aigua, fins quan deixes una beguda freda sobre la taula i, amb el temps, s'escalfa fins a la temperatura ambient. Aquests són tots els processos d'equilibri tèrmic en acció.
Un exemple més interessant és l'ús de termòmetres . Els termòmetres funcionen basant-se en el principi dequilibri tèrmic.
Quan col·loques un termòmetre en contacte amb alguna cosa, per exemple, la teva pell, el líquid dins del termòmetre (que sovint és mercuri o alcohol pintat) s'escalfa o refreda fins a assolir la mateixa temperatura que la teva pell. El termòmetre deixa de canviar quan s'assoleix l'equilibri tèrmic, i aleshores podem llegir la temperatura correcta.
Equilibri tèrmic i la segona llei de la termodinàmica
L'equilibri tèrmic també està relacionat estretament amb la segona llei de la termodinàmica, que diu que l'entropia d'un sistema tancat sempre tendeix a augmentar. En altres paraules, els sistemes tendeixen naturalment cap a un estat dequilibri, on lenergia es distribueix de manera uniforme i no hi ha diferències de temperatura que impulsin el flux de calor.
Això té implicacions molt importants per a leficiència energètica.
Per exemple, en una màquina tèrmica, l'objectiu és aprofitar la diferència de temperatura entre dos cossos per fer feina. Tot i això, segons la segona llei de la termodinàmica, sempre hi haurà pèrdues d'energia a causa de la tendència del sistema a assolir l'equilibri tèrmic.