Equilibrio térmico
El equilibrio térmico es el estado en que dos cuerpos en contacto igualan su temperatura y dejan de intercambiar calor neto.
El equilibrio térmico es el estado en el que dos o más cuerpos en contacto térmico alcanzan la misma temperatura y dejan de intercambiar calor de forma neta. Es lo que ocurre cuando el café se enfría hasta la temperatura de la habitación o cuando un termómetro se iguala con el cuerpo del paciente.
¿Qué es el equilibrio térmico?
Cuando se ponen en contacto un cuerpo caliente y uno frío, las partículas del primero, más energéticas, transfieren energía a las del segundo mediante choques. El calor fluye espontáneamente del cuerpo de mayor temperatura al de menor, hasta que ambas se igualan. En ese momento se ha alcanzado el equilibrio térmico.
Conviene aclarar un matiz: en equilibrio no se detiene el movimiento de las partículas, ni cesan los intercambios microscópicos de energía. Lo que se anula es el flujo neto de calor entre los cuerpos. Tampoco quiere decir que ambos tengan la misma energía interna, sino la misma temperatura.
La ley cero de la termodinámica
Este principio da sentido a la medida de la temperatura: si el cuerpo A está en equilibrio térmico con C, y B también lo está con C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí. Es la propiedad transitiva que permite usar un termómetro (el cuerpo C) para comparar temperaturas sin poner en contacto los otros dos objetos. Se formuló de manera explícita en la década de 1930, cuando ya se habían establecido la primera y la segunda ley, y por eso recibe el número cero. Forma parte de las leyes de la termodinámica.
Fórmula de la temperatura de equilibrio
En un sistema aislado el calor que cede el cuerpo caliente lo absorbe el frío, siempre que no haya cambios de estado:
Y despejando la temperatura final:
Aquí m es la masa, c el calor específico y T la temperatura inicial de cada cuerpo. Si ambos son de la misma sustancia, Tf es la media ponderada por las masas. La temperatura final queda siempre entre las dos iniciales.
Cómo se alcanza: mecanismos
- Conducción: transmisión por contacto directo, típica de los sólidos.
- Convección: transporte de calor con el movimiento de un fluido, como el aire caliente que sube.
- Radiación: emisión de ondas electromagnéticas; permite el equilibrio incluso en el vacío.
Más detalles en la transferencia de calor. La rapidez con que se llega al equilibrio depende de la diferencia inicial de temperaturas, de la superficie de contacto y de la conductividad térmica de los materiales.
Ejemplos y aplicaciones
- Termómetro clínico: se iguala con el cuerpo antes de leerse.
- Una bebida con hielo: el hielo absorbe calor hasta que todo el líquido se estabiliza.
- Termo: reduce los intercambios para retrasar el equilibrio con el ambiente.
- Calorimetría: los experimentos se basan en que la mezcla llegue al equilibrio.
- Climatología: la Tierra tiende a un equilibrio radiativo entre la energía solar recibida y la emitida.
Ejercicios resueltos
1. Se mezclan 200 g de agua a 80 °C con 300 g de agua a 20 °C. ¿Cuál es la temperatura final?
Misma sustancia, así que c se cancela: Tf = (0,2·80 + 0,3·20)/(0,2 + 0,3) = (16 + 6)/0,5. Resultado: Tf = 44 °C.
2. Un bloque de cobre de 400 g a 150 °C se sumerge en 600 g de agua a 20 °C. ¿Temperatura de equilibrio? (cCu = 385; cagua = 4186 J/(kg·K))
m·c del cobre = 0,4·385 = 154 J/K; del agua = 0,6·4186 ≈ 2511,6 J/K. Tf = (154·150 + 2511,6·20)/(154 + 2511,6) = 73 332/2665,6. Resultado: Tf ≈ 27,5 °C.
3. Una pieza de aluminio de 250 g a 200 °C cae en 500 g de agua a 15 °C. ¿A qué temperatura se estabiliza? (cAl = 900 J/(kg·K))
m·c del aluminio = 0,25·900 = 225 J/K; del agua = 0,5·4186 = 2093 J/K. Tf = (225·200 + 2093·15)/(225 + 2093) = 76 395/2318. Resultado: Tf ≈ 33,0 °C.
Preguntas frecuentes
¿Equilibrio térmico significa que no hay calor?
No. Significa que no hay flujo neto de calor entre los cuerpos porque están a la misma temperatura. Los intercambios microscópicos de energía continúan, pero se compensan.
¿Es lo mismo equilibrio térmico que equilibrio termodinámico?
No. El térmico es solo una parte: el equilibrio termodinámico completo exige además equilibrio mecánico (presiones iguales) y químico (sin reacciones netas).
¿Por qué un objeto metálico se siente más frío que uno de madera si están a la misma temperatura?
Porque el metal conduce mejor el calor y extrae energía de la mano con más rapidez. Ambos están en equilibrio con la habitación, pero el metal nos engaña por su conductividad.
¿Cuánto tarda en alcanzarse el equilibrio térmico?
Depende de la diferencia inicial de temperatura, del contacto entre los cuerpos y de sus materiales. Es un proceso exponencial: al principio es rápido y luego se hace cada vez más lento.
Referencias
- Zemansky, M. W. y Dittman, R. H. Calor y termodinámica. McGraw-Hill.
- Tipler, P. A. y Mosca, G. Física para la ciencia y la tecnología. Reverté.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2026). «Equilibrio térmico». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/equilibrio-termico/
