Όταν δύο σώματα που βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή, αυτό που είναι πιο ζεστό παραδίδει μέρος της ενέργειας του σε ένα με λιγότερη θερμοκρασία, στο σημείο όπου και οι δύο θερμοκρασίες είναι ίσες.
Αυτή η κατάσταση είναι γνωστή ως θερμική ισορροπία, και είναι ακριβώς η κατάσταση στην οποία οι θερμοκρασίες δύο σωμάτων που είχαν αρχικά διαφορετικές θερμοκρασίες είναι ίσες. Συμβαίνει ότι όσο οι θερμοκρασίες εξισώνουν, η ροή θερμότητας αναστέλλεται, και στη συνέχεια επιτυγχάνεται η κατάσταση ισορροπίας.
Δείτε επίσης: Παραδείγματα θερμότητας και θερμοκρασίας
Θεωρητικά, η θερμική ισορροπία είναι θεμελιώδης σε αυτό που είναι γνωστό ως μηδενικός νόμος ή Μηδενική αρχή της θερμοδυναμικής, το οποίο εξηγεί ότι εάν δύο ξεχωριστά συστήματα βρίσκονται ταυτόχρονα σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σύστημα, βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Αυτός ο νόμος είναι θεμελιώδης για ολόκληρη την πειθαρχία της θερμοδυναμικής, που είναι ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με την περιγραφή καταστάσεων ισορροπίας σε μακροσκοπικό επίπεδο.
Η εξίσωση που δημιουργεί τον ποσοτικό προσδιορισμό της ποσότητας θερμότητας που ανταλλάσσεται στις μεταφορές μεταξύ των σωμάτων, έχει τη μορφή:
Ε = Μ * Γ * ΔΤ
Όπου Q είναι η ποσότητα θερμότητας που εκφράζεται σε θερμίδες, το M είναι η μάζα του υπό μελέτη σώματος, το C είναι η ειδική θερμότητα του σώματος και το ΔΤ είναι η διαφορά θερμοκρασίας.
Σε ένα η κατάσταση ισορροπίας, η μάζα και η ειδική θερμότητα διατηρούν την αρχική τους τιμή, αλλά η διαφορά θερμοκρασίας γίνεται 0 διότι ακριβώς καθορίστηκε η κατάσταση ισορροπίας όπου δεν υπάρχουν αλλαγές στη θερμοκρασία.
Μια άλλη σημαντική εξίσωση για την ιδέα της θερμικής ισορροπίας είναι αυτή που επιδιώκει να εκφράσει τη θερμοκρασία που θα έχει το ενοποιημένο σύστημα. Είναι αποδεκτό ότι όταν ένα σύστημα σωματιδίων Ν1, το οποίο βρίσκεται στη θερμοκρασία Τ1, έρχεται σε επαφή με ένα άλλο σύστημα σωματιδίων Ν2 που βρίσκεται στη θερμοκρασία Τ2, η θερμοκρασία ισορροπίας λαμβάνεται με τον τύπο:
(N1 * T1 + N2 * T2) / (N1 + N2).
Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να φανεί ότι όταν και τα δύο υποσυστήματα έχουν την ίδια ποσότητα σωματιδίων, η θερμοκρασία ισορροπίας μειώνεται στο μέσο όρο μεταξύ των δύο αρχικών θερμοκρασιών. Αυτό μπορεί να γενικευτεί για σχέσεις μεταξύ περισσότερων από δύο υποσυστημάτων.
Ακολουθούν ορισμένα παραδείγματα καταστάσεων όπου συμβαίνει θερμική ισορροπία:
- Η μέτρηση της θερμοκρασίας του σώματος χρησιμοποιώντας ένα θερμόμετρο λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο. Η μεγάλη διάρκεια που το θερμόμετρο πρέπει να έρθει σε επαφή με το σώμα για να μπορεί να ποσοτικοποιήσει πραγματικά τους βαθμούς θερμοκρασίας οφείλεται ακριβώς στον χρόνο που χρειάζεται για να επιτευχθεί θερμική ισορροπία.
- Τα προϊόντα που πωλούνται «φυσικά» θα μπορούσαν να έχουν περάσει από ψυγείο. Ωστόσο, μετά από λίγο καιρό έξω από το ψυγείο, σε επαφή με το φυσικό περιβάλλον, έφτασαν σε θερμική ισορροπία με αυτό.
- Η μονιμότητα των παγετώνων στις θάλασσες και στους πόλους είναι μια ιδιαίτερη περίπτωση θερμικής ισορροπίας. Ακριβώς, οι προειδοποιήσεις σχετικά με την υπερθέρμανση του πλανήτη έχουν να κάνουν με την αύξηση της θερμοκρασίας των θαλασσών και στη συνέχεια με μια θερμική ισορροπία όπου λιώνει μεγάλο μέρος αυτού του πάγου.
- Όταν ένα άτομο βγαίνει από το μπάνιο, είναι σχετικά κρύο επειδή το σώμα είχε εισέλθει σε ισορροπία με το ζεστό νερό και τώρα πρέπει να μπει σε ισορροπία με το περιβάλλον.
- Όταν ψάχνετε να κρυώσετε ένα φλιτζάνι καφέ, προσθέτοντας κρύο γάλα σε αυτό.
- Ουσίες όπως το βούτυρο είναι πολύ ευαίσθητες στις μεταβολές της θερμοκρασίας και με πολύ σύντομο χρόνο σε επαφή με το περιβάλλον σε φυσική θερμοκρασία, έρχονται σε ισορροπία και τήξη.
- Βάζοντας το χέρι σε ένα κρύο κιγκλίδωμα, για λίγο, το χέρι γίνεται πιο κρύο.
- Ένα βάζο με ένα κιλό παγωτό θα λιώσει πιο αργά από ένα άλλο με ένα τέταρτο του κιλού του ίδιου παγωτού. Αυτό παράγεται από την εξίσωση στην οποία η μάζα καθορίζει τα χαρακτηριστικά της θερμικής ισορροπίας.
- Όταν ένα παγάκι τοποθετείται σε ένα ποτήρι νερό, συμβαίνει επίσης μια θερμική ισορροπία. Η μόνη διαφορά είναι ότι η ισορροπία συνεπάγεται αλλαγή κατάστασης, διότι περνά στους 100 ° C όπου το νερό πηγαίνει από ένα στερεό σε ένα υγρό.
- Προσθέστε κρύο νερό σε ρυθμό ζεστού νερού, όπου η ισορροπία επιτυγχάνεται πολύ γρήγορα σε θερμοκρασία χαμηλότερη από την αρχική.
