¿Qué es el equilibrio térmico?
Hay algunos conceptos en física que la gente entiende intuitivamente antes de haber oído hablar de ellos. Como el equilibrio térmico, que es tan integral en nuestras vidas que tendemos a entenderlo por intuición.
Por ejemplo, digamos que tienes una taza de té caliente y la pones en el congelador. ¿Qué pasará con el té? El té, por supuesto, se enfriará. Todos saben eso. Y, probablemente también sepa que el té seguirá enfriándose hasta que esté a la misma temperatura que el congelador, hasta que se congele y no pueda enfriarse más. Incluso si está familiarizado con este concepto, lo que quizás no sepa es que es un ejemplo sólido de equilibrio térmico.
El equilibrio térmico es el estado en el que dos objetos conectados por una barrera permeable no tienen transferencia de calor entre ellos. Esto sucede cuando los dos objetos tienen la misma temperatura.
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Mecanismo
La temperatura es la energía cinética o de movimiento promedio de las moléculas en una sustancia. Cuando pones en contacto dos objetos de diferentes temperaturas, las moléculas de movimiento más rápido de un material chocarán con las moléculas de movimiento más lento del otro. La energía térmica se extenderá gradualmente hasta que los dos objetos tengan la misma temperatura, hasta que hayan alcanzado el equilibrio térmico. Esto es básicamente lo mismo que la segunda ley de la termodinámica , que establece que el calor solo se mueve espontáneamente de lugares más calientes a lugares más fríos, nunca al revés.
Fórmula
Si un objeto (o sistema) está en equilibrio termodinámico, entonces se puede decir que el sistema ha minimizado su potencial termodinámico. Hay muchos tipos de potencial termodinámico citados en física, pero quizás el más común es la energía libre de Helmholtz , que mide la cantidad total de trabajo útil que podría extraerse del sistema. La ecuación para la energía libre de Helmholtz es la siguiente:
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Como se mencionó anteriormente, si el sistema ha alcanzado el equilibrio termodinámico, este número estará en su valor mínimo posible.
Ejemplo
Entonces, digamos que mezcla té y leche hasta que alcancen el equilibrio termodinámico, y quiere saber cuál es la cantidad máxima de energía útil que puede sacar de esa taza de té, si su cuerpo es perfectamente eficiente.
La temperatura del té y la leche (en Kelvin) es 373 K, la energía interna total del sistema es 3000 Joules y la entropía del sistema es 6 Joules por Kelvin. Inserta esos números en la ecuación:
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Y obtienes 762 julios de trabajo útil.
Resumen de la lección
El equilibrio térmico se define como el estado en el que dos objetos conectados por una barrera permeable no tienen transferencia de calor entre ellos. O en otras palabras, dos objetos donde el calor no se transfiere entre los objetos aunque estén conectados. Esto sucede cuando tienen la misma temperatura . En general, cuando dos objetos no tienen la misma temperatura, el calor se transfiere porque las moléculas de movimiento más rápido en el objeto más caliente chocan con las moléculas de movimiento más lento en el objeto más frío.
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Un objeto en equilibrio termodinámico tiene el valor mínimo posible de su potencial termodinámico. Uno de esos potenciales se llama energía libre de Helmholtz , que mide la cantidad total de trabajo útil que podría extraerse del sistema. Esto se puede calcular usando la ecuación discutida en esta lección y está relacionada con la temperatura del sistema, la entropía del sistema y la energía interna total del sistema.
Términos clave
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Equilibrio térmico: el estado en el que dos objetos conectados por una barrera permeable no tienen transferencia de calor entre ellos.
Temperatura: la energía cinética o movimiento promedio de las moléculas en una sustancia.
Segunda ley de la termodinámica: el calor solo se mueve espontáneamente de lugares más calientes a lugares más fríos, nunca al revés
Energía libre de Helmholtz: mide la cantidad total de trabajo útil que se podría extraer del sistema
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Los resultados del aprendizaje
Una vez que haya visto y estudiado la lección en video, podría tener la capacidad de:
- Explica el significado del equilibrio térmico.
- Enuncie la segunda ley de la termodinámica.
- Proporcione un ejemplo de equilibrio termodinámico
- Demuestre cómo utilizar la ecuación para la energía libre de Helmholtz
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