Khi cho hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau, vật nóng hơn sẽ nhường một phần năng lượng cho vật có nhiệt độ thấp hơn, đến mức cả hai nhiệt độ bằng nhau.
Tình huống này được gọi là cân bằng nhiệt, và đó chính xác là trạng thái mà nhiệt độ của hai vật thể ban đầu có nhiệt độ khác nhau là bằng nhau. Điều đó xảy ra khi nhiệt độ cân bằng, dòng nhiệt bị đình chỉ, và sau đó tình trạng cân bằng đạt được.
Xem thêm: Ví dụ về Nhiệt và Nhiệt độ
Về mặt lý thuyết, cân bằng nhiệt là cơ bản trong cái được gọi là Định luật 0 hoặc Nguyên lý 0 của nhiệt động lực học, điều này giải thích rằng nếu hai hệ riêng biệt đồng thời ở trạng thái cân bằng nhiệt với hệ thứ ba, chúng cân bằng nhiệt với nhau. Định luật này là nền tảng của toàn bộ ngành nhiệt động lực học, là nhánh vật lý liên quan đến việc mô tả các trạng thái cân bằng ở cấp độ vĩ mô.
Phương trình đưa ra định lượng nhiệt lượng được trao đổi trong quá trình truyền giữa các vật thể, có dạng:
Q = M * C * ΔT
Trong đó Q là nhiệt lượng biểu thị bằng calo, M là khối lượng của cơ thể đang nghiên cứu, C là nhiệt dung riêng của cơ thể và ΔT là hiệu số nhiệt độ.
Trong một trạng thái cân bằng, khối lượng và nhiệt lượng riêng vẫn giữ nguyên giá trị ban đầu, nhưng sự chênh lệch nhiệt độ trở thành 0 bởi vì chính xác tình trạng cân bằng không có thay đổi về nhiệt độ đã được xác định.
Một phương trình quan trọng khác cho ý tưởng về cân bằng nhiệt là phương trình tìm cách thể hiện nhiệt độ mà hệ thống nhất sẽ có. Người ta chấp nhận rằng khi cho một hệ gồm các hạt N1 ở nhiệt độ T1 tiếp xúc với một hệ các hạt N2 khác ở nhiệt độ T2 thì nhiệt độ cân bằng thu được theo công thức:
(N1 * T1 + N2 * T2) / (N1 + N2).
Bằng cách này, có thể thấy rằng khi cả hai hệ con có cùng lượng hạt thì nhiệt độ cân bằng giảm xuống mức trung bình là giữa hai nhiệt độ ban đầu. Điều này có thể được tổng quát cho các mối quan hệ giữa nhiều hơn hai hệ thống con.
Dưới đây là một số ví dụ về các tình huống xảy ra cân bằng nhiệt:
- Đo nhiệt độ cơ thể bằng nhiệt kế hoạt động theo cách đó. Thời gian kéo dài mà nhiệt kế phải tiếp xúc với cơ thể để có thể thực sự xác định được các độ của nhiệt độ là do thời gian cần thiết để đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.
- Các sản phẩm được bán 'tự nhiên' có thể đã qua tủ lạnh. Tuy nhiên, sau một thời gian bên ngoài tủ lạnh, tiếp xúc với môi trường tự nhiên, chúng đã đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt với nó.
- Tính lâu dài của các sông băng ở biển và ở các cực là một trường hợp cân bằng nhiệt cụ thể. Chính xác là, những cảnh báo liên quan đến sự nóng lên toàn cầu có liên quan rất nhiều đến sự gia tăng nhiệt độ của các vùng biển, và sau đó là trạng thái cân bằng nhiệt khi phần lớn băng tan chảy.
- Khi một người bước ra khỏi phòng tắm, anh ta tương đối lạnh vì cơ thể đã vào trạng thái cân bằng với nước nóng, và bây giờ nó phải đi vào trạng thái cân bằng với môi trường.
- Khi muốn tách cà phê nguội, hãy thêm sữa lạnh vào.
- Các chất như bơ rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, và với một thời gian rất ngắn tiếp xúc với môi trường ở nhiệt độ tự nhiên, chúng sẽ chuyển sang trạng thái cân bằng và tan chảy.
- Đặt tay lên lan can lạnh lẽo, trong một thời gian, bàn tay trở nên lạnh hơn.
- Một hũ có một kg kem sẽ tan chảy chậm hơn một hũ khác có cùng một phần tư kg kem. Điều này được tạo ra bởi phương trình trong đó khối lượng xác định các đặc điểm của cân bằng nhiệt.
- Khi cho một cục nước đá vào một cốc nước thì hiện tượng cân bằng nhiệt cũng xảy ra. Sự khác biệt duy nhất là trạng thái cân bằng ngụ ý sự thay đổi trạng thái, bởi vì nó đi qua 100 ° C, nơi nước chuyển từ thể rắn sang thể lỏng.
- Thêm nước lạnh vào một tỷ lệ nước nóng, ở đó trạng thái cân bằng rất nhanh đạt được ở nhiệt độ lạnh hơn ban đầu.
