Kad se dva tijela koja su na različitim temperaturama dođu u kontakt, ono vruće predaje dio svoje energije onome s nižom temperaturom, do točke u kojoj su obje temperature jednake.
Ova je situacija poznata kao toplinska ravnoteža, a upravo je stanje u kojem su temperature dvaju tijela koja su u početku imale različite temperature jednake. Događa se da kako se temperature izjednače, protok topline je obustavljen, i tada se postiže stanje ravnoteže.
Vidi također: Primjeri topline i temperature
Teoretski je toplinska ravnoteža temeljna u onome što je poznato kao Nulti zakon ili Nulti princip termodinamike, što objašnjava da ako su dva odvojena sustava istovremeno u toplinskoj ravnoteži s trećim sustavom, oni su u toplinskoj ravnoteži jedni s drugima. Ovaj je zakon temeljni za cjelokupnu disciplinu termodinamike, koja je grana fizike koja se bavi opisivanjem ravnotežnih stanja na makroskopskoj razini.
Jednadžba koja daje kvantificiranje količine topline koja se izmjenjuje u prijenosima između tijela ima oblik:
Q = M * C * ΔT
Gdje je Q količina topline izražena u kalorijama, M masa istraživanog tijela, C specifična toplina tijela, a ΔT razlika u temperaturi.
U stanje ravnoteže, masa i specifična toplina zadržavaju svoju izvornu vrijednost, ali temperaturna razlika postaje 0 jer je točno definirana ravnotežna situacija u kojoj nema promjena temperature.
Druga važna jednadžba za ideju toplinske ravnoteže je ona koja želi izraziti temperaturu koju će objedinjeni sustav imati. Prihvaćeno je da kada sustav čestica N1, koji je na temperaturi T1, dođe u kontakt s drugim sustavom čestica N2 koji je na temperaturi T2, ravnotežna temperatura dobiva se formulom:
(N1 * T1 + N2 * T2) / (N1 + N2).
Na taj se način to vidi kada oba podsustava imaju jednaku količinu čestica, ravnotežna temperatura smanjuje se na prosjek između dvije početne temperature. To se može generalizirati za odnose između više od dva podsustava.
Evo nekoliko primjera situacija u kojima dolazi do toplinske ravnoteže:
- Mjerenje tjelesne temperature pomoću termometra djeluje na taj način. Dugo trajanje koje termometar mora imati u kontaktu s tijelom da bi mogao uistinu kvantificirati stupnjeve temperature upravo je posljedica vremena potrebnog za postizanje toplinske ravnoteže.
- Proizvodi koji se prodaju 'prirodno' mogli su proći kroz hladnjak. Međutim, nakon nekog vremena izvan hladnjaka, u kontaktu s prirodnim okolišem, postigli su toplinsku ravnotežu s njim.
- Trajnost ledenjaka u morima i na polovima poseban je slučaj toplinske ravnoteže. Točno, upozorenja u vezi s globalnim zagrijavanjem imaju puno veze s porastom temperature mora, a zatim i toplinskom ravnotežom gdje se veći dio leda topi.
- Kad osoba izađe iz kupanja, relativno joj je hladno jer je tijelo došlo u ravnotežu s vrućom vodom, a sada mora doći u ravnotežu s okolinom.
- Kad želite rashladiti šalicu kave, dodajte joj hladno mlijeko.
- Tvari kao što je maslac vrlo su osjetljive na promjene temperature i vrlo kratkim vremenom u dodiru s okolinom na prirodnoj temperaturi dolaze u ravnotežu i tope se.
- Stavljanjem ruke na hladnu ogradu, neko vrijeme ruka postaje hladnija.
- Staklenka s pola kilograma sladoleda topit će se sporije od druge s četvrt kilograma istog sladoleda. To se dobiva jednadžbom u kojoj masa određuje karakteristike toplinske ravnoteže.
- Kad se kocka leda stavi u čašu vode, također dolazi do toplinske ravnoteže. Razlika je samo u tome što ravnoteža podrazumijeva promjenu stanja, jer prolazi kroz 100 ° C gdje voda prelazi iz krutine u tekućinu.
- Hladnoj vodi dodajte brzinu vruće vode, gdje se ravnoteža vrlo brzo postiže na temperaturi hladnijoj od izvorne.
