Qué es el Equilibrio Térmico (Con Fórmula y Ejemplos)

Balance de calor es un estado que esta hecho cuando varios cuerpos o sustancias en contacto tienen la misma temperatura.

En concreto, este fenómeno se produce tras el contacto de dos o más cuerpos con diferente temperatura. El cuerpo con la temperatura más alta emite una cantidad de calor que con el tiempo absorbe el cuerpo con la temperatura más baja. Cuando ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura., no hay intercambio de calorlo que se llama equilibrio térmico.

El equilibrio térmico puede ocurrir con diferentes o las mismas sustancias, o entre una sustancia y el ambiente o medio. Por ejemplo, si tenemos un vaso de agua fría a 10°C y lo ponemos sobre la mesa, al cabo de unos minutos la temperatura del agua cambiará a la del ambiente.

A nivel microscópico, el equilibrio térmico ocurre cuando la energía cinética de las partículas es igual entre las dos sustancias. La energía cinética de las partículas es lo que determina la temperatura de una sustancia.

Cuando hay una diferencia de temperatura, la sustancia con mayor energía cinética transfiere energía en forma de calor a la sustancia con menor energía. Este fenómeno continúa ocurriendo hasta que las temperaturas se igualan. En este momento, la energía cinética sigue presente, pero es la misma para ambas sustancias.

El balance de calor, es decir, la temperatura final de dos cuerpos que entran en contacto, se puede calcular con una fórmula. Lo presentamos en la siguiente sección.

Fórmula de cálculo del balance de calor

Una forma de calcular el balance de calor es usar la siguiente ecuación:

A continuación, explicamos el significado de cada término así como sus unidades en el sistema internacional:

• q: es la cantidad de calor que emite o absorbe una masa, medida en joules, j.
• metro: es la masa del cuerpo o sustancia, medida en kilogramos, kg.
• ESTE: es el calor específico del cuerpo o sustancia, medido en julios por kilogramo Kelvin, J / (kg x K).
• EN: es la diferencia de temperatura corporal entre la final y la inicial, medida en Kelvin, k. Se puede escribir como tf-tú (Temperatura final – Temperatura inicial). Esta diferencia también se puede calcular utilizando valores de temperatura en grados Celsius, °C, ya que las cantidades son las mismas.

Si tomamos como referencia la ecuación, el equilibrio térmico se alcanza cuando la cantidad de calor de cuerpos y sustancias es la misma. Es decir, el equilibrio se alcanza cuando Q₁ = -Q₂en el cual:

• q₁: cantidad de calor absorbido por el cuerpo frío.
• -Q₂: cantidad de calor emitida por el cuerpo caliente.

Por lo anterior, la ecuación se puede reescribir como:

Si resolvemos para Tf, es decir, la temperatura de equilibrio para los dos cuerpos o sustancias, tenemos:

Gracias a esta fórmula, sabrás qué temperatura final alcanzarán dos cuerpos en contacto, siempre que conozcas la temperatura inicial, el calor específico y la masa de cada uno.

Ejemplo de balance de calor aplicando la fórmula

Imagina que tenemos una sustancia fría, amoníaco líquido, con los siguientes valores:

• metro₁ = 2 kg
• ESTE₁ = 4700 J / (kg x K)
• Tú_1i = 10°C = 283K

Y lo ponemos en un recipiente con una sustancia más caliente, agua, que tiene los siguientes valores:

• metro₂ = 5kg
• ESTE₂ = 4181 J / (kg x K)
• Tú_2i = 25°C = 298K

Si sustituimos los términos de la fórmula por los valores dados anteriormente, tenemos:

Resolvemos la formula y vemos que temperatura final (Tf) es 293,35 K, es decir 20,35°C. En otras palabras, los dos líquidos alcanzarán el equilibrio térmico a esta temperatura.

Otros ejemplos diarios de balance de calor

• Al poner un termómetro en contacto con un líquido, el termómetro cambia de temperatura hasta que alcanza la misma temperatura que el líquido. Cuando el indicador de temperatura ya no se mueve, el termómetro y el líquido están en equilibrio térmico.
• Al verter vidrio fundido en un molde, debe trabajarse antes de que se enfríe. Esto se debe a que el vidrio emite rápidamente mucha energía en forma de calor, enfriándose para igualar la temperatura del molde. Cuando el vidrio se endurece, alcanza el equilibrio térmico con el molde.
• Cuando estamos afuera en el frío, nuestro cuerpo emite calor. Sin embargo, es imposible calentar el ambiente con nuestro calor corporal; por lo tanto, sentimos frío y no se logra el equilibrio térmico. Una vez que entramos en una casa con calefacción, la diferencia de temperatura es mucho menor, por lo que nuestro cuerpo se aclimata y alcanza el equilibrio térmico con el ambiente.
• En verano, cuando sacas un helado del congelador, al principio hace bastante frío. Sin embargo, salvo que lo comamos rápidamente, el helado empieza a derretirse, igualando poco a poco su temperatura con la del ambiente. Cuando está completamente derretido, el helado alcanza el equilibrio térmico con el medio ambiente.

Ver también:

• Calor
• Temperatura
• Termodinámica
• Conductividad térmica