SISTEMA TERMODINÁMICO
Un sistema termodinámico es cualquier sustancia o conjunto de sustancias de masa fija que está limitada por una envoltura o superficie ideal. El límite puede ser fijo o móvil y separa el sistema del espacio exterior.
Tipos de Límites
- Límite Móvil: Cuando el sistema recibe energía y entrega energía mecánica. Ejemplo: Un pistón en un cilindro.
- Límite Fijo: El gas encerrado en un recipiente hermético y rígido.
Cuando el sistema recibe alguna influencia del exterior, la energía calorífica y mecánica cruzan el límite del sistema.
Sistema Aislado
Un sistema aislado no experimenta influencia alguna del exterior. La energía calorífica y mecánica no cruzan el límite del sistema. En la práctica, son poco comunes ya que están influenciados por el medio ambiente.
Vasos de Dewar
Los vasos de Dewar son recipientes con paredes adiabáticas, como un frasco de doble pared con vacío en el medio y sus caras internas con un baño de plata. El calor no puede entrar por conducción o convección debido al vacío, y tampoco hay radiación porque las ondas caloríficas chocan en la pared plateada.
Diferencia entre Sistema y Sistema de Control
La diferencia entre un sistema y un sistema de control es que el sistema es una cantidad fija de masa, mientras que el otro es un flujo de masa.
Superficie de Control
Las superficies de control son los límites que están constituidos por el sistema de control.
- Sistema Homogéneo: Si el volumen está limitado por una sustancia.
- Sistema Heterogéneo: Si son más de una sustancia.
- Sistema Termoelástico: Estos sistemas hacen cambios con el calor del ambiente y sufren variaciones de volumen a causa de modificar su presión o temperatura. Son cualquier gas encerrado.
ESTADO TERMODINÁMICO Y TRANSFORMACIONES
Para analizar la transferencia de energía que experimenta un sistema, hay que conocer sus propiedades, que se clasifican en dos grupos:
Propiedades Intensivas
Son independientes de la masa, por ejemplo, presión (P), volumen (V) y temperatura (T).
Propiedades Extensivas
Dependen de la masa y son valores totales.
Estado
El estado de un sistema se define mediante los valores de un cierto número de propiedades variables, es decir, queda definido mediante los valores de P, V y T. Se representa por un punto en el espacio tomando sobre cada eje de coordenadas los valores de sus tres propiedades en el diagrama de Clapeyron, con la abscisa como V y la ordenada como P.
Proceso o Transformación
Cuando alguna de las propiedades del sistema sufre un cambio continuo.
- Transformación Abierta: Cuando el estado final es distinto al estado inicial del sistema.
- Transformación Cíclica: Si al final de la transformación el estado coincide con el inicial, todas las propiedades retoman el valor inicial y se efectúa un ciclo.
Ejemplos
- Transformación Abierta: La lenta fusión del hielo, al final su volumen es diferente.
- Transformación Cíclica: Un volumen inicial V1 de gas a la presión P1 y a la temperatura Ti está encerrado en un cilindro por un émbolo que se puede desplazar. Al calentar hasta T2 aumenta su P y V desplazando el émbolo y ocupando V2 y P2. Luego se enfría a T1 recuperando su presión P1 y su volumen V1. El efecto es cíclico, todos sus valores retoman el valor inicial.
Transformaciones en el Esquema 3
- Transformación Isobárica: A presión constante, como las indicadas en 1-2 y 3-4.
- Transformación Isotérmica o Isocórica: A volumen constante, como la indicada en 2-3 y 4-1.
EQUILIBRIO TERMODINÁMICO
Cuando un sistema modifica su estado, se generan acciones recíprocas (de carácter mecánico, térmico y químico) mutuas entre él y el medio ambiente:
- Equilibrio Mecánico: Si no existe, en todas las partes de un sistema y el ambiente exterior existen fuerzas actuantes haciendo que experimenten un cambio de estado.
- Equilibrio Térmico: Si no existe, todas las partes de un sistema no se encuentran a la misma temperatura y estas son diferentes a las del ambiente, se generará un cambio de estado que podrá eliminarse cuando el sistema y el ambiente lleguen a la misma temperatura.
- Equilibrio Químico: Si no existe, el sistema experimenta un cambio espontáneo de estructura interna por una reacción química o paso de materia por difusión o disolución. Se produce un cambio de estado lento, que cesa al alcanzar el equilibrio químico. Por ejemplo, la atmósfera está en equilibrio químico, posee muchos gases pero no se genera reacción química.
Equilibrio Termodinámico
Cuando se encuentran los tres equilibrios (mecánico, térmico y químico), si el sistema está en equilibrio con el ambiente, está en estado muerto o inactivo.
Si hay una fuerza no equilibrada en un sistema o entre él y el ambiente, se producen fenómenos de aceleración, turbulencia, ondas, etc.
Si una sustancia tiene temperatura diferente a la del ambiente, se genera una distribución no uniforme de temperatura, por lo tanto, no hay una única temperatura en todo el sistema.