Equilibri tèrmic

Archiu:Thermal equilibrium in closed system.png

Desenroll de l'equilibri tèrmic en un sistema tancat a lo llarc del temps.

El equilibri tèrmic és aquell estat en el qual s'igualen les temperatures de dos cossos, les quals, en les seues condicions inicials presentaven diferents valors; una volta que les temperatures s'han equiparat, se suspén la transferència de calor entre abdós cossos, alcançat en això el mencionat equilibri tèrmic del sistema termodinàmic.

Definició termodinàmica de l'equilibri tèrmic

Per a poder donar una definició més precisa del concepte d'equilibri tèrmic des d'un punt de vista termodinàmic és necessari definir alguns conceptes.

Dos sistemes que estan en contacte mecànic directe o separats per mig d'una superfície que permet la transferència de calor (lo que es coneix com superfície diatérmica), es diu que estan en contacte tèrmic.

Considerem llavors dos sistemes en contacte tèrmic, disposts de tal forma que no puguen mesclar-se o reaccionar químicament. Considerem ademés que estos sistemes estan colocats en l'interior d'un recint a on no és possible que intercanvien calor en l'exterior ni existixquen accions des de l'exterior capaços d'eixercir treball sobre ells. L'experiència indica que a la veta d'un temps estos sistemes alcancen un estat d'equilibri termodinàmic que es denominarà estat de equilibri tèrmic recíproc o simplement de equilibri tèrmic. A partir d'eixe moment cessaran els canvis que poden detectar-se macroscópicamente i no obstant que l'activitat continua, d'algun modo l'estat macroscòpic ha aplegat a l'equilibri i es caracterisa perque abdós sistemes tenen la mateixa temperatura.

Interpretació microscòpica de l'equilibri tèrmic

La termodinàmica proporciona una descripció macroscòpica dels sistemes que estudia, sense fer hipòtesis sobre l'estructura microscòpica dels mateixos. No obstant, existixen atres disciplines, com la física estadística, que estudien els mateixos fenomens de la termodinàmica, pero des d'un enfocament microscòpic.

En particular, el concepte d'equilibri tèrmic està lligat al concepte de temperatura en dir que dos sistemes en equilibri tèrmic tenen la mateixa temperatura. Des d'un punt de vista microscòpic, la temperatura està associada a l'energia cinètica promig que tenen les partícules que constituïxen el sistema, a saber, àtoms, molèculas i/o l'estructura electrònica de la substància que constituïx el sistema. Macroscópicament, esta energia cinètica promig de les partícules d'un sistema és lo que en la termodinàmica es diu energia interna, que és una energia que depén casi exclusivament de la temperatura del sistema. A major energia cinètica promig de les partícules que constituïxen un sistema, major energia interna i, en general, major temperatura del sistema.

La situació de dos sistemes en contacte tèrmic s'interpreta microscópicamente com que les partícules de la superfície de interfase d'abdós sistemes són capaços d'interactuar entre sí. Bàsicament es pot vore que, microscópicament, les partícules del sistema de major temperatura (que tenen major energia cinètica) van a transferir part de la seua energia a les partícules de l'atre sistema. Es troba que esta interacció entre els dos sistemes dona lloc a que les partícules dels dos sistemes alcancen la mateixa energia cinètica promig i, per lo tant, la mateixa temperatura. És dir, des d'un punt de vista microscòpic, s'entén com a equilibri tèrmic entre dos sistemes que les partícules dels dos sistemes tinguen la mateixa energia cinètica promig.

Des d'un punt de vista macroscòpic, es diu que els sistemes han alcançat un estat d'equilibri, quan baix les condicions indicades en la secció definició termodinàmica de l'equilibri tèrmic, s'igualen les seues temperatures. En canvi, des d'un punt de vista microscòpic, l'estat d'equilibri es referix al promig, ya que els dos sistemes continuen intercanviant energia inclús una volta alcançat el equilibri tèrmic. L'energia cinètica individual d'una partícula no és estacionaria i són, per tant, diferents les energies de cada partícula en cada moment. És el promig de la distribució d'energies de totes les partícules del sistema lo que no canvia en el temps.

D'igual manera que per al cas macroscòpic, es pot estendre el concepte de equilibri tèrmic per a un sistema únic, en el que en eixa situació d'equilibri, les partícules de dos parts qualssevol del sistema tenen la mateixa energia cinètica promig.