Equilibrio termico

Il termine equilibrio, che deriva dalla parola latina aequilibrium, ha diversi significati. Può riferirsi allo stato di un corpo quando le forze che lo influenzano si compensano a vicenda; a un peso che, essendo identico a un altro, lo contrasta; alla situazione di un oggetto che non cade nonostante la sua instabilità; o all'armonia in diversi elementi.

Thermal, invece, è quello che è legato al calore (l'energia che passa da un corpo a un altro, provocando cambiamenti di stato) o alla temperatura (la grandezza che permette di esprimere il livello di calore). Un oggetto si dice anche termico quando riesce a mantenere la sua temperatura.

Con queste idee in mente, possiamo concentrarci sulla definizione di equilibrio termico. Questo è il nome dato alla situazione che si raggiunge quando due corpi che erano a temperature diverse diventano la stessa temperatura. In questo modo, il flusso di calore si interrompe: l'energia non passa più da un corpo all'altro proprio perché entrambi sono in equilibrio termico.

Quando due corpi o sistemi che hanno temperature diverse sono in contatto, avviene sempre un trasferimento di calore. Questo trasferimento può avvenire per radiazione, convezione o conduzione, dal corpo con più calore al corpo con meno calore. Il processo si ferma solo quando i corpi raggiungono l'equilibrio termico; fino ad allora, che sia più veloce o più lento, il trasferimento continuerà ad avvenire.

L'equilibrio termico spiega come funzionano i termometri. Portando un termometro a contatto termico con un corpo, inizia il trasferimento di calore. Solo quando si raggiunge l'equilibrio termico e i due corpi registrano lo stesso calore, il flusso rallenta e la sua temperatura (che, a causa dell'equilibrio termico, è uguale a quella del corpo in questione) può essere osservata sul termometro.

Nel 1931, l'astronomo e fisico di origine britannica R. H. Fowler enunciò la cosiddetta Legge Zero della Termodinamica, un principio fenomenologico dei sistemi che si basa proprio sul concetto di equilibrio termico. L'enunciato di questa legge è il seguente:

Se abbiamo i sistemi A e B e li mettiamo ciascuno in un luogo diverso ma in equilibrio termico con un terzo, che possiamo chiamare C, anche i primi due sono in equilibrio termico.

Basta leggere attentamente questa affermazione per capirne la base logica: dire che A e C sono in equilibrio termico equivale a dire che le loro temperature sono uguali, quindi se la temperatura di A è uguale a quella di C, e quella di B è uguale a quella di C, allora la temperatura di A è uguale a quella di B. È interessante ricordare che R. H. Fowler enunciò questa legge quando già esistevano la prima e la seconda legge, ma poiché divenne una fonte fondamentale per queste due, le fu assegnato il nome di legge zero.

La termodinamica è la parte della fisica che si occupa della descrizione degli stati di equilibrio dei sistemi e lo fa a livello macroscopico, cioè senza concentrarsi sui fenomeni che avvengono a livello microscopico all'interno delle ipotesi che presenta. Nonostante ciò, discipline come la fisica statistica realizzano uno studio microscopico dei fenomeni che riguardano la termodinamica, e l'equilibrio termico è uno di questi.

Se guardiamo questo fenomeno da una prospettiva microscopica, possiamo capire la temperatura in relazione all'energia cinetica media delle particelle che compongono il sistema, tra cui le sue molecole e atomi.