¿Por qué los objetos dejan de enfriarse/perder calor?

Cuando dos objetos/sistemas tienen la misma temperatura, se puede decir que están en equilibrio térmico, y esto significa que no habrá transferencia neta de calor entre ellos. No puedo enfatizar más cuán importante es la palabra red aquí. Esto significa que hay transferencia de calor, pero el calor transferido del sistema A al B es igual al calor transferido del sistema B al A, por lo que permanecen a las mismas temperaturas.

equilibrio químico con la atmósfera.

Aquí se trata de equilibrio térmico, no químico. Por lo tanto, para concluir, un objeto nunca deja de perder calor, pero dejará de perder calor neto cuando alcance el equilibrio térmico con la atmósfera.

Me gustaría señalar algo que las otras respuestas están pasando por alto (comprensiblemente, esto es algo así como un pequeño detalle).

Como se mencionó; la transferencia de calor es proporcional a la diferencia de temperatura. A medida que el objeto se enfría; la temperatura disminuye y se transfiere menos calor.

Así que considere el proceso a medida que se desarrolla. A medida que el objeto se acerca a la temperatura del entorno, comienza a enfriarse menos. Este proceso en realidad crea un decaimiento exponencial; donde la temperatura de la taza caliente se acerca al valor de la temperatura ambiente; pero sólo lo alcanza después de mucho tiempo.

(Nota: con los modelos habituales de transferencia de calor de ingeniería a gran escala, alcanzaría esa temperatura después de un tiempo infinito, pero puede haber efectos de orden superior/microscópicos que pueden hacer que eso no se aplique)

Entonces, la razón por la que su objeto no llega al cero absoluto es porque el enfriamiento ni siquiera alcanza la temperatura ambiente muy rápido. Puede cubrir el 99% de la distancia con relativa rapidez; pero la velocidad de enfriamiento continuará disminuyendo a medida que se acerque a este equilibrio.

la transferencia de calor es impulsada por las diferencias de temperatura. una vez que su bebida se enfría a una temperatura igual a la de su entorno, la transferencia de calor se detiene.

Enfriar es perder calor, y ese calor se va a otra parte (la mano alrededor de la taza, el aire caliente que sube por encima de la bebida...). Otros objetos también pierden calor, cualquiera de los cuales puede entrar en su bebida. El calor nunca se destruye (según la segunda ley de la termodinámica), por lo que no sorprende que su bebida no se acerque al cero absoluto. Otros objetos también pierden calor, cualquiera de los cuales puede entrar en su bebida.

El equilibrio de temperatura eventualmente se alcanzará con cualquier objeto que tenga una conexión térmica con la bebida, y eso (por definición, o 'la ley cero' de la termodinámica) significa diferencia de temperatura cero. No implica temperatura cero, sino un intercambio de calor esperado cero (ganancia o pérdida).

La razón básica de esto es la probabilidad. La situación en la que dos objetos tienen la misma temperatura es el estado más probable del sistema, sujeto a la restricción de que la energía del sistema total (por ejemplo, su habitación) es constante. Este es el estado macroscópico con el número máximo de microestados. Llamemos a este número la multiplicidad$\Omega$.

Este número es el producto de la multiplicidad de la taza y la multiplicidad del resto de la habitación:$\Omega = \Omega_{cup} \times \Omega_r$. Las multiplicidades dependen mucho de la energía interna$E$. Cuando la taza está caliente, la energía se transfiere a la habitación porque el aumento fraccionario de$\Omega_r$es mayor que la disminución fraccionaria de la multiplicidad de la taza. Esto hace que el total$\Omega$aumenta

Eventualmente se alcanzará el equilibrio térmico, el macroestado más probable, el estado de mayor multiplicidad. Entonces los cambios fraccionarios de$\Omega$de la taza y de la habitación son iguales y opuestos cuando se transfiere una pequeña cantidad de energía entre ellos. Por ejemplo, cuando la multiplicidad de la copa sube en un prom, la multiplicidad de la habitación disminuye en un prom, dejando el producto sin cambios en su máximo.

Esto es lo que es la temperatura. Cuando dos sistemas tienen la misma temperatura, tienen el mismo cambio relativo de multiplicidad con la energía.$\frac{1}{\Omega}\frac{{\rm d}\Omega}{{\rm d}E}$. A temperatura ambiente, esto es alrededor del 4 % por mili-eV.

Para los entendidos: con la definición de entropía$S = k \ln\Omega$y$\frac{dS}{dE} = \frac{k}{\Omega} \frac{d\Omega}{dE} = \frac{1}{T}$reconocemos el cambio fraccionario de$\Omega$con energía como la termodinámica beta (frialdad)$\beta = \frac{1}{kT} =\frac{1}{\Omega}\frac{{\rm d}\Omega}{{\rm d}E}$.