Quando due corpi che si trovano a temperature diverse vengono messi in contatto, quello che è più caldo cede parte della sua energia a quello che ha meno temperatura, fino al punto in cui entrambe le temperature sono uguali.
Questa situazione è nota come equilibrio termale, ed è precisamente lo stato in cui le temperature di due corpi che inizialmente avevano temperature differenti sono uguali. Succede che quando le temperature si equalizzano, il flusso di calore è sospeso, e quindi si raggiunge la situazione di equilibrio.
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Teoricamente, l'equilibrio termico è fondamentale in quella che è conosciuta come la legge zero o la Principio zero della termodinamica, il che spiega che se due sistemi separati sono contemporaneamente in equilibrio termico con un terzo sistema, sono in equilibrio termico tra loro. Questa Legge è fondamentale per l'intera disciplina della termodinamica, che è la branca della fisica che si occupa di descrivere gli stati di equilibrio a livello macroscopico.
L'equazione che dà luogo alla quantificazione della quantità di calore che viene scambiata nei trasferimenti tra i corpi, ha la forma:
Q = M * C * ΔT
Dove Q è la quantità di calore espressa in calorie, M è la massa del corpo in esame, C è il calore specifico del corpo e ΔT è la differenza di temperatura.
In un situazione di equilibrio, massa e calore specifico mantengono il loro valore originale, ma la differenza di temperatura diventa 0 perché proprio è stata definita la situazione di equilibrio in cui non ci sono sbalzi di temperatura.
Un'altra equazione importante per l'idea di equilibrio termico è quella che cerca di esprimere la temperatura che avrà il sistema unificato. È accettato che quando un sistema di particelle N1, che è alla temperatura T1, entra in contatto con un altro sistema di particelle N2 che è alla temperatura T2, la temperatura di equilibrio è ottenuta dalla formula:
(N1 * T1 + N2 * T2) / (N1 + N2).
In questo modo, lo si può vedere quando entrambi i sottosistemi hanno la stessa quantità di particelle, la temperatura di equilibrio viene ridotta a una media tra le due temperature iniziali. Questo può essere generalizzato per le relazioni tra più di due sottosistemi.
Ecco alcuni esempi di situazioni in cui si verifica l'equilibrio termico:
- La misurazione della temperatura corporea utilizzando un termometro funziona in questo modo. La lunga durata che il termometro deve avere a contatto con il corpo per quantificare veramente i gradi di temperatura è dovuta proprio al tempo che impiega per raggiungere l'equilibrio termico.
- I prodotti venduti "naturali" potrebbero essere passati attraverso un frigorifero. Tuttavia, dopo qualche tempo fuori dal frigorifero, a contatto con l'ambiente naturale, hanno raggiunto con esso l'equilibrio termico.
- La permanenza dei ghiacciai nei mari e ai poli è un caso particolare di equilibrio termico. Precisamente, gli avvertimenti sul riscaldamento globale hanno molto a che fare con un aumento della temperatura dei mari, e quindi con un equilibrio termico dove gran parte di quel ghiaccio si scioglie.
- Quando una persona esce dal bagno, è relativamente fredda perché il corpo era entrato in equilibrio con l'acqua calda, e ora deve tornare in equilibrio con l'ambiente.
- Quando si cerca di raffreddare una tazza di caffè, aggiungervi del latte freddo.
- Sostanze come il burro sono molto sensibili agli sbalzi di temperatura, e con un brevissimo tempo a contatto con l'ambiente a temperatura naturale, entrano in equilibrio e si sciolgono.
- Mettendo la mano su una ringhiera fredda, per un po ', la mano diventa più fredda.
- Un barattolo con un chilo di gelato si scioglierà più lentamente di un altro con un quarto di chilo dello stesso gelato. Questo è prodotto dall'equazione in cui la massa determina le caratteristiche dell'equilibrio termico.
- Quando un cubetto di ghiaccio viene posto in un bicchiere d'acqua, si verifica anche un equilibrio termico. L'unica differenza è che l'equilibrio implica un cambiamento di stato, perché attraversa 100 ° C dove l'acqua passa da un solido a un liquido.
- Aggiungere acqua fredda a una velocità di acqua calda, dove l'equilibrio viene raggiunto molto rapidamente a una temperatura più fredda dell'originale.
