Un balancín de madera que se inclina a un lado y a otro sin parar, movido por la llama de una vela y un muelle de dos metales.


Un balancín de madera con una figurita de fieltro en cada extremo. En el centro, sobre un soporte fijo, arde una vela de té.
Por encima de la vela pasa un arco de alambre clavado en la tabla, que se mueve con ella. En lo alto del arco hay un muelle diminuto enrollado en espiral, y de él sale una varilla larga y fina con una bola roja en la punta.
Con la vela encendida, el balancín se inclina hacia un lado, luego hacia el otro, y así sin parar mientras dura la vela (Güémez, Fiolhais y Fiolhais, 2010).
El muelle de lo alto del arco no es un muelle cualquiera: es una espiral bimetálica, dos tiras de metales distintos pegadas a lo largo (Güémez, 2007).
Al calentarse, los dos metales se alargan, pero uno mucho más que el otro (es la dilatación térmica). Como están pegados, la tira no puede alargarse recta: se curva, con el metal que más se dilata por la parte de fuera. Enrollada en espiral, al curvarse más hace girar su extremo, y con él la varilla y la bola.

Cuando la espiral está sobre la llama, se calienta y gira: la bola pasa por encima y se va al otro lado. Con ella se desplaza el centro de gravedad del conjunto, hasta que el balancín bascula hacia el lado de la bola (Güémez, Fiolhais y Fiolhais, 2010).
Al bascular, el arco se inclina con la tabla y la espiral se aparta de la llama.

Apartada de la llama, la espiral cede calor al aire, se enfría y gira en sentido contrario. La bola regresa, el balancín vuelve a bascular y la espiral queda otra vez sobre la llama. El ciclo vuelve a empezar (Güémez, 2007).
El balancín es una máquina térmica: convierte en movimiento parte del calor de la llama. Como todas, necesita un foco caliente, la llama, y un foco frío, el aire de la habitación. Sin el enfriamiento de la espiral el ciclo no se cerraría (Güémez, Fiolhais y Fiolhais, 2010).
Y, como manda el segundo principio de la termodinámica, la mayor parte del calor que recibe la espiral no se convierte en movimiento: se pierde en el aire.
Si una tira de longitud $L$ formada por dos metales con coeficientes de dilatación $\alpha_1$ y $\alpha_2$ se calienta $\Delta T$, uno de los metales se alarga más que el otro en $\Delta L = L\,(\alpha_1 - \alpha_2)\,\Delta T$. Como están pegados, la tira se curva y su extremo gira un ángulo del orden de (Güémez, 2007)
donde $\Delta r$ es la distancia entre las líneas medias de las dos láminas. Con latón ($\alpha_1 = 19 \times 10^{-6}\ \mathrm{K^{-1}}$) e ínvar ($\alpha_2 = 1{,}2 \times 10^{-6}\ \mathrm{K^{-1}}$), $L = 10\ \mathrm{cm}$, láminas de $0{,}15\ \mathrm{mm}$ ($\Delta r = 0{,}15\ \mathrm{mm}$) y $\Delta T = 100\ \mathrm{K}$, valores de ejemplo:
Una diferencia de longitudes invisible produce un giro enorme, porque la tira es muy fina. Un cálculo que tiene en cuenta la elasticidad de las láminas rebaja el resultado en un 25 % para dos láminas iguales: unos $51^\circ$, como en la figura. Caso límite: con dos láminas del mismo metal, $\alpha_1 = \alpha_2$ y $\phi = 0$.
El balancín no se mueve poco a poco, sino a saltos: pasa de golpe de un lado al otro. Y no vuelve a la misma temperatura de la espiral a la que saltó, sino a otra más baja. Este comportamiento con histéresis se describe como una catástrofe en cúspide (Güémez, 2007).
Una razón de la histéresis es que el arco va unido a la tabla: cuando el balancín bascula hacia la bola, el arco se inclina y lleva la bola aún más hacia ese lado. Para que vuelva, la espiral tiene que enfriarse bastante más.
Ninguna máquina térmica puede superar el rendimiento de Carnot entre sus dos focos:
Si la espiral llegara a unos $130\ \mathrm{^\circ C}$ ($T_\mathrm{c} = 403\ \mathrm{K}$) y el aire está a $20\ \mathrm{^\circ C}$ ($T_\mathrm{f} = 293\ \mathrm{K}$), $\eta_\mathrm{max} \approx 27\ \%$. El balancín real queda muy lejos: