Mapa mental: Equilibrio térmico

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Mapa mental: Equilibrio térmico · Formatom

Equilibrio térmico

Contenido del mapa

Equilibrio térmico — Estado en que cuerpos en contacto térmico igualan sus temperaturas y cesa el flujo neto de calor.
- Conceptos fundamentales — Las ideas básicas que hacen falta antes de hablar de equilibrio.
  - Temperatura — Mide la agitación promedio de las partículas de un cuerpo. Se expresa en grados Celsius (°C) o en kelvin (K).
  - Calor (Q) — Energía que se transfiere entre cuerpos por tener temperaturas distintas. Se mide en julios (J) o calorías (cal), con 1 cal ≈ 4,18 J.
    - Energía en tránsito — Un cuerpo no tiene calor: tiene temperatura y energía interna. El calor solo existe mientras viaja de un cuerpo a otro.
  - Contacto térmico — Dos cuerpos pueden intercambiar calor si se tocan o si algo los conecta térmicamente.
  - Sistema aislado — Conjunto de cuerpos que no intercambia calor con el exterior. Un buen termo es una aproximación práctica.
- Cómo fluye el calor — Dirección del flujo y ejemplos que ayudan a visualizarlo.
  - Del caliente al frío — El calor siempre viaja del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. El «frío» no se transfiere.
  - Hasta igualar temperaturas — El flujo neto se detiene cuando ambos cuerpos quedan a la misma temperatura: ahí hay equilibrio térmico.
  - Café que se enfría — El café cede calor al aire hasta llegar a la temperatura ambiente y deja de enfriarse. El aire apenas se calienta porque es mucho más grande.
  - Analogía del agua — Dos depósitos unidos por un tubo igualan sus niveles; del mismo modo, dos cuerpos igualan su temperatura mediante el calor.
- Ley cero de la termodinámica — Principio que define y hace útil la noción de equilibrio térmico.
  - Enunciado — Si A está en equilibrio con C y B está en equilibrio con C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.
  - Base del termómetro — El termómetro cumple el papel del cuerpo C: se pone en contacto y marca la temperatura del sistema cuando alcanza el equilibrio.
  - Esperar antes de medir — Hay que dar tiempo al termómetro para que llegue al equilibrio; antes de eso la lectura no es confiable.
- Cálculo del calor intercambiado — Cuánta energía gana o pierde un cuerpo al cambiar de temperatura.
  - Fórmula Q = m·c·ΔT — Válida cuando el cuerpo no cambia de estado. ΔT = Tf − Ti, masa en kg y c en J/(kg·°C).
  - Calor específico (c) — Energía necesaria para subir 1 °C la temperatura de 1 kg de la sustancia. Agua: 4180; hielo: 2090; aluminio: 900; hierro: 450; cobre: 385.
    - Agua con c muy alto — Costa mucho calentarla y tarda en enfriarse, por eso el mar modera el clima de las ciudades costeras.
  - Convenio de signos — Si el cuerpo se calienta, Q > 0 (gana calor); si se enfría, Q < 0 (pierde calor).
  - Diferencias de temperatura — Un ΔT vale lo mismo en °C que en K, así que en esa diferencia puede usarse cualquiera de las dos escalas.
- Ecuación del equilibrio — Conservación de la energía aplicada al intercambio de calor entre cuerpos.
  - ΣQ = 0 — En un sistema aislado el calor perdido por los cuerpos calientes es igual al calor ganado por los fríos.
  - Temperatura de equilibrio — Para dos cuerpos: Te = (m1·c1·T1 + m2·c2·T2)/(m1·c1 + m2·c2), ambos al final quedan a la misma Te.
  - Promedio ponderado — El «peso» de cada cuerpo es el producto m·c: quien tiene mayor m·c arrastra la temperatura final hacia la suya.
    - Te entre las iniciales — Te siempre queda entre la temperatura más baja y la más alta; si sale fuera de ese rango, hay un error.
    - Misma sustancia — Si ambos cuerpos son de la misma sustancia, c se simplifica y queda Te = (m1·T1 + m2·T2)/(m1 + m2).
- Aplicación y errores frecuentes — Cómo resolver problemas y qué cuidar para no equivocarse.
  - Resolución paso a paso — Identificar datos y sustancias, plantear ΣQ = 0, calcular cada m·c, despejar Te y comprobar que tiene sentido.
    - Verificar con los calores — Tras hallar Te, calcula Q de cada cuerpo: deben tener valores opuestos y sumar casi cero.
  - Agua caliente con agua fría — Al ser la misma sustancia, c se cancela: 200 g a 80 °C con 300 g a 20 °C dan Te = 44 °C, más cerca de 20 °C por haber más agua fría.
  - Hierro caliente en agua — 0,5 kg de hierro a 200 °C en 2 kg de agua a 20 °C dan Te ≈ 24,7 °C: el agua apenas se calienta por su gran m·c.
  - Errores típicos — Creer que el frío se transfiere, esperar cambios iguales de temperatura, mezclar gramos con kilogramos o usar mc·ΔT durante cambios de estado.
    - Cambios de estado — Si hay fusión o ebullición hace falta además el calor latente; la fórmula mc·ΔT sola no basta.

El equilibrio térmico es la situación que se alcanza cuando dos o más cuerpos que están en contacto térmico y tienen temperaturas distintas intercambian calor hasta igualar sus temperaturas. En ese punto el flujo neto de calor se detiene y ya no hay más transferencia entre ellos, aunque sigan en contacto. La clave conceptual es que el calor no es una propiedad que un cuerpo posea, sino energía en tránsito: siempre viaja del cuerpo más caliente al más frío, nunca al revés, y solo existe mientras ocurre la transferencia.

Para entender bien el tema conviene dominar algunas palabras: temperatura (medida de la agitación promedio de las partículas), calor (energía transferida por diferencia de temperatura, en julios o calorías), contacto térmico (posibilidad de intercambiar calor) y sistema aislado (conjunto que no intercambia calor con el exterior). Un ejemplo cotidiano es el café que se deja sobre la mesa: cede calor al aire hasta llegar a la temperatura ambiente y entonces se detiene el enfriamiento. Una analogía útil es la de dos depósitos de agua unidos: el agua fluye hasta igualar niveles, igual que el calor fluye hasta igualar temperaturas.

La ley cero de la termodinámica formaliza esta idea: si A y B están cada uno en equilibrio térmico con un tercer cuerpo C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. Este principio, aparentemente obvio, es lo que permite usar termómetros, que actúan como el cuerpo C: se ponen en contacto con el sistema, esperan a llegar al equilibrio y entonces marcan su temperatura.

En cuanto al cálculo, cuando un cuerpo cambia de temperatura sin cambiar de estado, el calor intercambiado es Q = m·c·ΔT, donde c es el calor específico de la sustancia. Si el sistema es aislado, la energía se conserva y la suma de todos los calores es cero: ΣQ = 0. Esto permite deducir la temperatura de equilibrio de dos cuerpos: Te = (m1·c1·T1 + m2·c2·T2)/(m1·c1 + m2·c2), que es un promedio ponderado por el producto m·c. Como consecuencia, Te siempre queda entre las temperaturas iniciales y se acerca más a la del cuerpo con mayor m·c. Dominar esta ecuación y verificar los resultados es la habilidad central que se evalúa en problemas sobre equilibrio térmico.