EQUILIBRIO TÉRMICO
El equilibrio
térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos
cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes
temperaturas, una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de
calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico.
DEFINICIÓN TERMODINÁMICA DEL EQUILIBRIO TÉRMICO
Para poder dar una definición más
precisa del concepto de equilibrio térmico desde un punto de vista
termodinámico es necesario definir algunos conceptos.
Dos sistemas que están en
contacto mecánico directo o separados mediante una superficie que permite
la transferencia de calor lo que se
conoce como superficie diatérmica, se
dice que están en contacto térmico.
Consideremos entonces dos
sistemas en contacto térmico, dispuestos de tal forma que no puedan
mezclarse o reaccionar químicamente. Consideremos además que estos sistemas
están colocados en el interior de un recinto donde no es posible que
intercambien calor con
el exterior ni existan acciones desde el exterior capaces de ejercer trabajosobre ellos. La experiencia indica que
al cabo de un tiempo estos sistemas alcanzan un estado de equilibrio termodinámico que se
denominará estado de equilibrio térmico recíproco o simplemente
de equilibrio térmico. A partir de ese momento cesaran los cambios que
pueden detectarse macroscópicamente y no obstante que la actividad continúa, de
algún modo el estado macroscópico ha llegado al equilibrio y se caracteriza
porque ambos sistemas tienen la misma temperatura.
Interpretación
microscópica del equilibrio térmico
La termodinámica proporciona
una descripción macroscópica de los sistemas que estudia, sin hacer hipótesis
acerca de la estructura microscópica de los mismos. Sin embargo, existen otras
disciplinas, como la física estadística, que estudian los mismos
fenómenos de la Termodinámica, pero desde un enfoque microscópico.
En particular, el concepto de
equilibrio térmico está ligado al concepto de temperatura al decir que dos
sistemas en equilibrio térmico tienen la misma temperatura. Desde un
punto de vista microscópico, la temperatura está asociada a la energía cinética promedio que tienen las
partículas que constituyen el sistema, a saber, átomos, moléculas y/o
la estructura electrónica de la sustancia que constituye el sistema.
Macroscópicamente, esta energía cinética promedio de las partículas de un
sistema es lo que en la Termodinámica se llama energía interna, que es una energía que depende
casi exclusivamente de la temperatura del sistema. A mayor energía cinética
promedio de las partículas que constituyen un sistema, mayor energía interna y,
en general, mayor temperatura del sistema.
La situación de dos sistemas en
contacto térmico se interpreta microscópicamente como que las partículas de
la superficie de interfase de
ambos sistemas son capaces de interactuar entre sí. Básicamente se puede ver
que, microscópicamente, las partículas del sistema de mayor temperatura (que
tienen mayor energía cinética) van a transferir parte de su energía a las
partículas del otro sistema. Se encuentra que esta interacción entre los dos
sistemas da lugar a que las partículas de los dos sistemas alcancen la misma
energía cinética promedio y, por lo tanto, la misma temperatura. Es decir, desde
un punto de vista microscópico, se entiende como equilibrio
térmico entre dos sistemas que las partículas de los dos sistemas tengan
la misma energía cinética promedio.
Desde un punto de vista
macroscópico, se dice que los sistemas han alcanzado un estado de equilibrio,
cuando bajo las condiciones indicadas en la sección definición
termodinámica del equilibrio térmico, se igualan sus temperaturas.
En cambio, desde un punto de vista microscópico, el estado de equilibrio se
refiere al promedio, ya que los dos sistemas continúan intercambiando
energía incluso una vez alcanzado el equilibrio térmico. La energía
cinética individual de una partícula no es estacionaria y son, por tanto, diferentes
las energías de cada partícula en cada momento. Es el promedio de la distribución de
energías de todas las partículas del sistema lo que no cambia en el tiempo.
De igual manera que para el caso
macroscópico, se puede extender el concepto de equilibrio
térmico para un sistema único, en el que en esa situación de equilibrio, las
partículas de dos partes cualesquiera del sistema tienen la
misma energía cinética promedio.
APLICACIÓN DEL
CONCEPTO DE EQUILIBRIO TÉRMICO: TERMOMETRÍA
Para saber la temperatura de una sustancia o cuerpo, se
utiliza un dispositivo que permite determinar su propia temperatura. Tal
dispositivo se denomina termómetro.
Para determinar la temperatura de un cuerpo, se pone un termómetro en contacto
térmico con él hasta que ambos alcanzan el equilibrio térmico. Sabemos que en
el equilibrio térmico tanto el cuerpo como el termómetro se encuentran a la
misma temperatura. Por tanto, la temperatura que indique el termómetro será
también la temperatura del cuerpo en cuestión. Se recalca que, lo que un
termómetro indica es su propia temperatura, por esto es importante conocer el
concepto de equilibrio térmico.
CAMBIOS DE
ESTADO
En física y química se
denomina cambio de estado a la evolución de la materia entre
varios estados de agregación sin
que ocurra un cambio en su composición. Los tres estados más estudiados y
comunes en la Tierra son el sólido,
el líquido y
el gaseoso;
no obstante, el estado de agregación más común en el Universo es
el plasma, material del que están compuestas
las estrellas (si
se descarta la materia oscura).
TIPOS DE
CAMBIO DE ESTADO
Son los procesos en los que un
estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición.
A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones
de fase de la materia:
·
Fusión: Es el paso de un sólido al
estado líquido por
medio del calor;
durante este proceso endotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a
cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece
constante. El "punto de fusión" es la temperatura a la
cual el sólido se funde, por lo que su valor es particular para cada sustancia.
Dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un
líquido. Un ejemplo podría ser un hielo derritiéndose, pues pasa de estado
sólido al líquido.
·
Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por
medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico.
El "punto de solidificación" o de
congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece
constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de
forma lenta (reversible); su valor es también específico.
·
Vaporización y ebullición: Son los procesos físicos en
los que un líquido pasa a estado gaseoso.
Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa
presión continuar calentándose el líquido, éste absorbe el calor, pero sin
aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado
líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al
estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del
gas.
·
Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de
la materia que se pasa de forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso
a la vaporización. Si se produce un paso de estado
gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación
inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.
·
Sublimación: Es
el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado
gaseoso sin pasar por el estado líquido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz
de sublimarse es el hielo seco.
·
Sublimación inversa: Es el paso directo del
estado gaseoso al estado sólido.
·
Desionización: Es el cambio de un plasma a
gas.
·
Ionización: Es el cambio de un gas a un
plasma.
Es importante hacer notar que en todas las
transformaciones de fase de las sustancias, éstas no se transforman en otras
sustancias, solo cambia su estado físico.
Los cambios de estado están divididos generalmente en
dos tipos: progresivos y regresivos.
·
Cambios progresivos: Vaporización, fusión y
sublimación progresiva.
·
Cambios regresivos: Condensación, solidificación
y sublimación regresiva
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