Cómo un sistema se acerca al equilibrio térmico

Equilibrio termal

Piense en cuando encendió la calefacción o el aire acondicionado. ¿Qué pasó con el interior de tu casa después de un tiempo? Si tenía la calefacción encendida, se calentaba y si tenía el aire acondicionado encendido, hacía más frío. ¿Cómo pasó esto? Todo es parte del proceso de equilibrio térmico que dice que cuando tienes un sistema de varios objetos conectados de diferentes temperaturas, todos alcanzarán la misma temperatura. Entonces, cuando enciende su calentador y sopla aire caliente hacia su hogar, esto introduce un objeto que es más cálido que el aire dentro de su hogar. Esto hace que comience el proceso de equilibrio térmico y el resultado es un hogar más cálido para usted.

Dos temperaturas

Este proceso tan interesante comienza con objetos de dos o más temperaturas diferentes. Por ejemplo, tomar café caliente en una mañana fría. Su café es obviamente más cálido, en términos de temperatura, que el aire frío de la mañana.

Café caliente

Si dejas tu café caliente al aire libre de la mañana, ¿qué sucede? Verá que sale vapor de la parte superior de su café caliente y se mezcla con el aire de la mañana. Y muy pronto, su café caliente ya no está caliente. Ahora hace calor. Un poco más tarde, su café tibio ya no está tibio, sino tibio. Y luego se vuelve fresco y finalmente, se vuelve la misma temperatura que el aire frío de la mañana.

Interacciones atómicas

Sabes que ejemplos como el del café caliente ocurren todo el tiempo y no lo cuestionas. ¿Pero sabes lo que está pasando a nivel atómico?

Si se acerca (mucho) a la superficie de su café caliente, comenzará a ver mucha actividad. Verás los átomos del café caliente rebotando como locos. Imagínese en su cabeza un montón de pelotas rebotando en una habitación cerrada. Este loco rebote se transfiere al aire tocando la superficie del café caliente. Los átomos del aire aquí también están rebotando como locos. La locura o la rapidez con la que se produce este rebote también se conoce como energía térmica .

Al observar el aire más fresco de la mañana, se da cuenta de que las bolas atómicas se mueven más lentamente, de hecho, mucho más lento. Cuando miras a tu alrededor, notas que sucede algo interesante con los átomos donde el aire frío se encuentra con el café caliente. Observa que los átomos calientes que rebotan enloquecidos chocan con los átomos fríos que se mueven más lentamente. Esto hace que los átomos de movimiento más lento se aceleren. Mientras sigue observando, verá que más y más átomos del aire frío de la mañana comienzan a acelerarse a medida que son golpeados por los locos átomos del café caliente. A medida que los átomos de café caliente golpean los átomos de aire frío, pierden algo de velocidad. Esta transferencia de energía de los átomos calientes a los átomos más fríos es lo que hace que el café caliente se enfríe.

Quizás se pregunte por qué el café caliente se enfrió pero no el aire frío de la mañana. Eso es porque el café es mucho más pequeño que el aire frío de la mañana. Calentó el aire circundante, pero debido a que había mucho más aire frío, la temperatura pronto se igualó a la del aire más fresco de la mañana. Además, debido a que el calor se transfiere cuando un átomo de alta energía golpea a un átomo de baja energía, cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápida es la transferencia de calor. Cuando dos objetos tienen temperaturas similares, las temperaturas tardan más en igualarse y alcanzar el equilibrio térmico.

De cálido a frío

Dado que el calor se transfiere cuando un átomo caliente de alta energía golpea un átomo más frío de baja energía, el equilibrio térmico generalmente se alcanza cuando se ha liberado suficiente energía del objeto caliente o caliente al objeto más frío. Por lo tanto, su energía térmica o transferencia de calor suele ser de caliente a frío.

Por eso, cuando abres la puerta de tu casa en un día de verano realmente caluroso, sentirás que el aire caliente entra rápidamente. Los átomos que rebotan de alta energía del aire caliente se transfieren a los átomos que rebotan de baja energía del aire. casa acondicionada. Ahora, este aire junto a la puerta también está caliente. Una vez que cierre la puerta, comenzará a enfriarse ya que hay más aire frío que aire caliente en su hogar.

La formula

Existe una fórmula que le dice cuánta energía térmica se requiere para elevar un objeto en particular en una cierta cantidad de grados.

El delta Q representa la cantidad de calor requerida. La m representa la masa del objeto. La c es la capacidad calorífica específica del objeto. La capacidad calorífica específica es la cantidad de calor que el objeto puede absorber sin cambiar la temperatura. Y el delta T representa el cambio de temperatura. Las unidades son kilocalorías para la cantidad de calor, kilogramos para la masa, julios por kilogramo Celsius para la capacidad calorífica específica y grados Celsius para la temperatura. Deberá cambiar las unidades en consecuencia si desea usar otras unidades, como gramos o Fahrenheit, junto con la unidad térmica británica.

De esta fórmula, aprende que la masa de un objeto también es un factor a la hora de alcanzar el equilibrio térmico. Esto explica por qué su café caliente se enfría en lugar de que el aire fresco de la mañana se caliente. La masa del aire fresco de la mañana es mucho mayor que la masa del café caliente. Se necesitaría mucha más energía térmica para calentar el aire fresco de la mañana que la que puede proporcionar el café caliente.

Resumen de la lección

Revisemos.

El proceso de equilibrio térmico dice que cuando tienes un sistema de varios objetos conectados de diferentes temperaturas, todos alcanzarán la misma temperatura. Lo que sucede cuando tienes dos objetos de diferentes temperaturas es que los átomos del objeto caliente rebotan más rápido con alta energía. Estos átomos de alta energía de movimiento más rápido terminan golpeando los átomos de baja energía de movimiento más lento del objeto más frío. Esta transferencia de calor del objeto caliente al objeto frío continúa ocurriendo hasta que ambos objetos han alcanzado la misma temperatura y por lo tanto han alcanzado el equilibrio térmico.

La fórmula que le dice que la masa de un objeto está relacionada con la cantidad de energía térmica que se necesita para calentarlo es:

El delta Q representa la cantidad de calor requerida. La m representa la masa del objeto. La c es la capacidad calorífica específica del objeto. La capacidad calorífica específica es la cantidad de calor que el objeto puede absorber sin cambiar la temperatura. Y el delta T representa el cambio de temperatura. Las unidades son kilocalorías para la cantidad de calor, kilogramos para la masa, julios por kilogramo Celsius para la capacidad calorífica específica y grados Celsius para la temperatura.