Equilibrio Térmico

Cuando entramos a la regadera, lo primero que hacemos es, usualmente, abrir las llaves del agua y buscar esa temperatura cómoda para entrar. Sin saberlo, estamos ocupando una de las leyes más fundamentales de la termodinámica, aquella que permite que dos o mas sistemas alcancen un equilibrio térmico.

Pero, ¿Qué es el equilibrio térmico? Wikipedia nos dice "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 trabajo sobre 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.
El concepto de equilibrio térmico puede extenderse para hablar de un sistema o cuerpo en equilibrio térmico. Cuando dos porciones cuales sean de un sistema se encuentran en equilibrio térmico se dice que el sistema mismo está en equilibrio térmico o que es térmicamente homogéneo."

Las copias provistas por el maestro nos dicen "...Todo estado de un sistema, en el cual Y y X toman valores definidos que permanecen constantes mientras no se modifiquen las condiciones externas, se dice que es un estado de equilibrio. La experiencia demuestra que la existencia de un estado de equilibrio en un sistema depende de la proximidad de otros sistemas y de la naturaleza de la pared de separacion entre ellos. Las paredes pueden ser adiabáticas o diatérmanas. Si una pared es adiabática, un estado de el sistema A puede coexistir en equilibrio con un estado para el sistema B..." En resumidas cuentas, si la pared fuera adiabática (Es decir, que no permite el intercambio térmico) la Temperatura de A no cambiaría con la temperatura de B, sin importar cual fuera esta, pero ya metimos la palabra temperatura, algo que explicaremos en otro espacio.

Por ahora, cave mencionar que solo el vacío perfecto (Que no existe) sería una pared completamente adiabática, y ni siquiera del todo perfecta pues solo evitaría el intercambio de calor por conducción o convección, la radiación aún viaja a través del vacío. Estos tres conceptos no los tocaremos porque no corresponden con el equilibrio térmico a nivel macroscópico, pero los mencionaremos algunas veces.

La ley que de esta observación se desprende es conocida cómo la ley cero de la termodinámica. Un sistema A que está en contacto con un sistema C a través de una pared diatérmana, y que este a su vez está en contacto con un sistema B con la misma condición, pero que está separado de A por una pared adiabática, alcanzará en un tiempo dado el equilibrio con C, y puesto que este alcanza también el equilibrio con B, A y B alcanzarán un equilibrio térmico.

En resumen: Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio entre si.

Y que bueno que así sea, de lo contrario y si los sistemas no alcanzaran equilibrio térmico, esa ducha que pensábamos tomar en un inicio no la disfrutaríamos para nada, primero, porque no podríamos sentir si el agua está caliente o no, y segundo, porque si lo sintiéramos, notaríamos un cambio de calor intermitente, mientras que el agua fría y el agua caliente nos golpean sin alcanzar un equilibrio.

Radiación, Convección y Conducción, caminos al equilibrio térmico.

En la entrada anterior, hablamos de que dos sistemas alcanzan el equilibrio térmico si están en contacto, sin embargo, nunca hablamos de cómo lo hacen. Pues bien, hay tres formas por las que un sistema con mayor calor transmite su excedente de energía a otro, Conducción, Convección y Radiación.

La Conducción se da entre objetos en contacto únicamente, es decir, si no hay contacto no puede haber conducción. ¿Qué es exactamente la conducción? Wikipedia dice: "La conducción de calor es un mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas.
La conducción del calor es muy reducida en el espacio vacío y es nula en el espacio vacío ideal, espacio sin energía.
El principal parámetro dependiente del material que regula la conducción de calor en los materiales es la conductividad térmica, una propiedad física que mide la capacidad de conducción de calor o capacidad de una substancia de transferir el movimiento cinético de sus moléculas a sus propias moléculas adyacentes o a otras substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor."

Es importante destacar que, cómo el articulo señala, en el vacío ideal no hay transferencia de calor por conducción, pues no hay partículas que puedan recibir la energía. En resumidas cuentas, la conducción de calor es cuando un objeto más caliente cede calor a otro menos caliente por contacto, sin que exista intercambio de materia entre los dos.

La Convección por otro lado, es exclusiva de los fluidos, y consiste en una propiedad que muchos fluidos poseen. Al aumentar su temperatura, su volumen aumenta y por tanto se desplazan por el empuje del resto del fluido hacia arriba, cediendo su lugar a fluido frío. Esta es la causa principal del viento, las corrientes oceánicas, y por lo tanto el clima en la Tierra. A diferencia de la conducción, en la convección la masa se mueve, transportando consigo su energía.

Por último tenemos la Radiación que seguro muchos han escuchado... Pues bien, esta NO es esa clase de radiación, a pesar de que están relacionadas por fenómenos termoeléctricos. Wikipedia dice: "Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. En lo que respecta a la transferencia de calor la radiación relevante es la comprendida en el rango de longitudes de onda de 0,1µm a 100µm, abarcando por tanto parte de la región ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.
La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura."

Esta difiere de la "radiación" residual de las bombas atómicas o los reactores nucleares en que no hay decaimiento radioactivo; es decir, el Uranio por ejemplo produce radiación térmica por su temperatura, pero al ser inestable, su núcleo tiende a dividirse y liberar con ello rayos gamma y rayos alfa, que son en realidad un Neutrón, y un núcleo de Helio respectivamente, y que al liberarlos, el elemento transmuta en uno más ligero, en este caso a Torio o a Plomo.

En esencia, estas son las tres formas en las que el calor se transmite, usualmente no en una forma única, por ejemplo, todo objeto está emitiendo radiación térmica puesto que no hay objetos que estén a 0ºK, y algunos nos están calentando por convección o por conducción.

Temperatura y Dilatación Térmica

En las entradas anteriores hemos hablado de la Temperatura, sin embargo no hemos explicado este concepto a fondo. ¿Que es la Temperatura y cual es su relación con esa pequeña linea de mercurio en los termómetros?

Por ahora, contentémonos con decir que la temperatura está en relación directa con el intercambio de calor, y que cuando dos sistemas tienen el mismo calor, ambos tienen la misma temperatura, siendo así una medida del calor. Sin embargo, esta definición no es muy precisa, necesitamos ver más allá del objeto para comprender de que se trata la temperatura y su relación con la raya de mercurio.

A nivel de moléculas y átomos, la temperatura se puede definir cómo un promedio de la energía cinética que tienen estos, es decir, de su movimiento y velocidad. En los solidos, la temperatura se manifiesta principalmente cómo ondas, ya que las partículas están firmemente unidas entre si, en los líquidos y gases se manifiesta en colisiones entre partículas.

De esta definición podemos entonces comprender que relación hay entre la temperatura y la raya de mercurio en los termómetros tradicionales. Cuando la temperatura aumenta, el volumen que ocupa un objeto aumenta también, debido a que sus moléculas o átomos tienen mayor movilidad y energía, pero no todos los objetos absorben calor de la misma manera, y no todos se dilatan en la misma proporción. Usualmente, los metales se dilatan más y con mayor facilidad que los no-metales o que los compuestos orgánicos, y de entre los metales, uno de los mejores es el mercurio, ya que al estar liquido a temperatura y presión normales, permite encerrarlo en un tubo capilar que restrinja su movimiento sin romperse.

Ahora bien, la medición de la temperatura no es sencilla. Existen diversas escalas, de las cuales la Celsius es la más común, la Fahrenheit es la segunda más común, y la Kelvin es la menos usada, principalmente por los científicos. Las primeras dos escalas sin embargo son muy poco rigurosas en sus medidas, pues son ajustadas en su punto cero por el punto de congelación del agua, que varía dependiendo de la pureza y presión atmosférica. La escala Celsius y la Kelvin coinciden en el "tamaño" entre sus divisiónes, es decir, son 1:1, mientras que la Fahrenheit es 5/9 la Celsius, con un ajuste de -32º para alcanzar el cero.

Mientras que las escalas Celsius y Fahrenheit se basan en el punto de congelación del agua, la escala Kelvin se basa en un concepto un tanto más abstracto conocido cómo el Cero Absoluto. Esta temperatura NO puede ser alcanzada por medios físicos debido a la tercer ley de la termodinámica, que establece que en todo proceso que involucre trabajo se genera calor. El Cero Absoluto está a -273.15 ºC y se obtiene del calculo del mínimo estado de energía que la materia puede adquirir. El ser humano no puede alcanzar a la fecha temperaturas menores a 1.8 K con alguna substancia debido a que, a esta temperatura, el Helio liquido adquiere propiedades muy especiales que lo hacen muy difícil de manejar e incluso, de ser posible el seguir manejándolo, la tercer ley de la termodinámica evitaría que por medios físicos se alcanzara el Cero Absoluto, enfriando nucleos de átomos con el uso de lasers, se han alcanzado temperaturas muy cercanas al cero absoluto, sin embargo hasta ahora no es posible alcanzar esta temperatura.

Bastaría decir que la temperatura mínima de la Tierra: "Ocurrió en la estación Vostok un 31 de Julio de 1983 cuando los instrumentos de medición llegaron a marcar unos 89.6 grados bajo cero. El desgarrador frío fue tal que la tripulación de la estación irónicamente debió de encerrarse en los grandes refrigeradores industriales del complejo, ya que las paredes metálicas y aislante térmicos de estos aminoraban el frío externo. Al salir uno de los investigadores encontró con asombro que varios bidones de fluido anticongelante estaban solidificados. ".

Una pregunta interesante es ¿Existe una temperatura negativa en la escala Kelvin? La respuesta es si, existe. Sin embargo y contrario a lo que la intuición nos dice, esta temperatura es por mucho más alta que cualquiera conocida por el ser humano. ¿Cómo es esto posible? Pues, apartándonos aún más de la noción de temperatura clásica, nos encontramos una que tiene que ver con la entropía, y que a grandes rasgos es la medida del desorden que tiene un sistema.

"Los científicos ya han producido sistemas de temperatura negativa, utilizando los espines de los núcleos atómicos. Imagínese una hilera de átomos, cada uno con un espin que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. En el estado de menor energía posible, todos los espines apuntan hacia abajo. Añada energía al sistema y los espines comenzarán a voltearse hacia arriba, llegando a la máxima entropía o desorden, cuando la mitad de los espines están hacia arriba. La adición de más energía hará cambiar el sistema hacia temperatura negativa, cuyos estados de alta energía son la única manera de dar cabida a la energía extra." de  axxon.com entonces, si existen temperaturas negativas, solo que estas son en realidad mucho más calientes que las que conocemos, pues pasan energía a sistemas que aparentemente están más calientes que ellos.

El VERDADERO Fin del mundo

Con todo lo que ha aparecido en este blog, uno podría pensar que esto es una broma, después de todo... ¿Qué puede tener que ver el equilibrio térmico con el fin del mundo? Pues bien, aunque uno lo dude, esta es quiza la forma más probable en la que acabará, no solo la vida, el Sol, la Tierra o la Galaxia, sino el universo entero.

¿Cuál es la terrible amenaza esta vez? No, no es un meteoro del tamaño de Texas cómo el que suponen mató a los dinosaurios, tampoco es la extinción del sol, ni el choque entre la Via Lactea y Andromeda, se trata de la Muerte Termodinámica del Universo.

¿Que es esto? Pues bien, antes hemos mencionado cómo dos sistemas alcanzan la misma temperatura si no existe algo que los aisle. Hablamos también de cómo el vacío ideal sería lo único que podría más o menos evitar la perdida de temperatura por conducción o convección... La radiación no se vería afectada por el vacío. A lo que queremos llegar es, imaginemos que el universo siguiera expandiéndose, o alcanzara un volumen máximo en el que se estabilice.

En este escenario podrían pasar millones de millones de años, soles se extinguirían, galaxias chocarían, y eventualmente, el material que mantiene a las estrellas se consumiría. ¿Qué pasará cuando las estrellas ya no tengan que quemar? Existirán muchos agujeros negros, que tragarán materia a diestra y siniestra, pero esto no es todo... La materia tragada es devuelta lentamente en forma de energía. Llegará entonces el momento en que el universo tendrá muy poca materia, y la energía se habrá transformado toda en calor.

Cuando todo el universo alcance la misma temperatura, sera la muerte termodinámica de este. No hay, hasta la fecha por lo menos, una forma de reducir la temperatura total de los sistemas, lo que significa que el universo se está calentando en general. Llegará el momento sin embargo, en el que ya no se pueda calentar más, pues toda la energía del universo estará distribuida de manera pareja.

¿Horrible no? En este escenario, la vida habría muerto mucho antes, pues las temperaturas necesarias para las reacciones químicas serían imposibles de alcanzar. ¿Es esto lo que nos espera en el 2012? Primero que nada, si usted en verdad cree que esto puede pasar en menos de un año, en verdad necesita ayuda en lo que refiere a su salud mental. El universo es inmenso, no se sabe si tiene un limite físico, por tanto, incluso si aceleráramos el proceso hasta el punto en donde solo queda por esperar a que la temperatura se iguale en todo el universo (y de alguna forma misteriosa permaneciera vivo a esto), pasarían varios miles de millones de años para que esto culminara, en pocas palabras, no espere vivir para ver tal escenario catastrófico.

Estamos hablando no de unos cuantos miles de años, sino de por lo menos 10¹⁰⁰ años, esto es lo que se estima de vida para un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia, y por tanto, el mínimo de tiempo que tendremos que esperar antes de que el universo alcance el equilibrio térmico. Asi que, tranquilos, si de algo podemos estar seguros es que en el 2012 NO nos va a llegar la muerte termodinámica, antes nos cae un meteorito, se extingue el sol, y nos estrellamos con Andromeda, y aun asi, nos va a faltar buen rato.