¿Cuál es el punto con el equilibrio en la termodinámica?

En primer lugar, desde el punto de vista de la computación, el equilibrio térmico es mucho más simple que el fuera de equilibrio. En equilibrio, el estado del sistema está (más o menos) directamente definido por su hamiltoniano y algunos parámetros termodinámicos. Fuera de equilibrio contiene todo lo que no es equilibrio y va desde dejar caer un lápiz hasta colisiones de iones pesados ​​en el CERN.

El equilibrio es, sin embargo, una parte importante de la física, porque es el estado asintótico que normalmente asumen los sistemas si esperamos lo suficiente. Aunque hay infinitamente más estados fuera de equilibrio, la mayoría de ellos evolucionan hacia el equilibrio térmico después de un tiempo y el simple cálculo proporciona información útil.

Pero esa es la parte fácil de tu pregunta. La verdadera pregunta es: "¿Qué es el equilibrio térmico?" Primero, tienes razón; Equilibrio térmico no es lo mismo que equilibrio mecánico. Estar en equilibrio mecánico solo significa que ninguna de sus partes se mueve. Sin embargo, en el equilibrio térmico, son solo los parámetros termodinámicos (energía promedio, temperatura, presión, volumen, número promedio de partículas, etc.) los que no cambian. Las partículas individuales se mueven salvajemente.

Primero tenga en cuenta que estar en equilibrio térmico es una propiedad relativa. Un sistema se equilibra con otro sistema. Por ejemplo, cuando viertes una taza de té, el agua empieza a girar. Puede decir que cuando el remolino se ha extinguido, su té está equilibrado (aunque yo llamaría a eso equilibrio mecánico). Por otro lado, podría esperar una hora hasta que su té esté a temperatura ambiente y luego decir que está en equilibrio.

Sin embargo, si abre la ventana, apaga la calefacción y regresa un par de horas más tarde, su té estará más frío que la temperatura ambiente y dirá que el té se ha equilibrado con el sistema climático local. Puedes seguir así casi para siempre.

La verdad es que siempre hay una escala (espacial y/o temporal) en la que su sistema no está equilibrado. Si dejas tu té durante un siglo en la luna, es posible que notes que la taza ha cambiado de forma. El vidrio es en realidad un sistema muy complicado que tiene una evolución (muy lenta) propia que es comparable a los fluidos hiperviscosos. Antes de hablar sobre el equilibrio, primero debe restringir su rango de observación.

Un ejemplo genial de esto es el condensado de caída libre de Bose . Los físicos experimentales están estudiando las propiedades de equilibrio de un gas Bose ultrafrío en gravedad cero. Para ello, preparan su gas en un contenedor electromagnético y dejan caer todo el aparato por una torre alta (110 m). Durante la caída, el gas se equilibra y hacen sus mediciones. Después de unos pocos (4,5) segundos, el aparato llega al suelo y el gas se dispersa. Aunque todo el sistema está claramente fuera de equilibrio, el gas está en equilibrio durante el tiempo de la caída .

Pero esto todavía no responde realmente a su pregunta. En la práctica, los físicos teóricos definen el equilibrio térmico con la física estadística como el estado de la materia que tiene la mayor entropía de acuerdo con las restricciones macroscópicas del sistema (energía fija, volumen, número de partículas, etc.). Este es el conjunto micro-canónico . Entonces, calcular las propiedades de equilibrio es un procedimiento matemático bien definido.

Esta definición es válida para un sistema cerrado y se puede utilizar para definir un equilibrio térmico "absoluto". Dice que el sistema está equilibrado cuando su dinámica visita todos los microestados que son consistentes con las restricciones macroscópicas con la misma probabilidad.

La dinámica de los grados de libertad microscópicos está desordenada al máximo. En la práctica, sin embargo, ningún sistema es realmente cerrado. Además, si puede encontrar un sistema cerrado, le llevará un tiempo infinito equilibrarse porque la dinámica de conservación de energía nunca olvida realmente sus condiciones iniciales.

Otra definición de Wikipedia es:

"Dos sistemas físicos están en equilibrio térmico si no fluye calor entre ellos cuando están conectados por un camino permeable al calor".

Esta definición es mucho más práctica, pero es solo relativa. Primero debe elegir un sistema y declararlo equilibrado. Luego puede compararlo con otros sistemas y verificar si también están equilibrados. Además, necesita una definición de calor (la parte no mecánica de la energía que se transfiere espontáneamente entre dos sistemas no equilibrados) para ser útil y el calor requiere una definición de equilibrio para ser útil.

Ok, no se me ocurre nada más que decir. Espero no haberte confundido aún más. Esta es una pregunta profunda y difícil. Intuitivamente, es claro cuando un sistema está equilibrado. En teoría, sin embargo, la definición puede ser bastante complicada. Sin embargo, tenga en cuenta que los físicos no deben pasar todo su tiempo pensando en la definición de equilibrio térmico. En los experimentos, puede mirar su sistema, asentir y declarar que está equilibrado (a veces se equivoca y ahí es cuando comienzan las cosas interesantes). En teoría, el cálculo de las propiedades de equilibrio es un procedimiento matemático bien definido que puede parecer un poco alejado de la realidad, pero funciona realmente bien.