Sistema, frontera y entorno.

Para el estudio Termodinámico lo primero que debemos definir es el SISTEMA, el cual se entiende como la parte del universo cuyas propiedades se desean investigar. Está confinado a un lugar en el espacio definido por la frontera (real o hipotética) y el resto del universo se denomina entorno.

Clasificación de Sistema

Según su interacción con el entorno, el sistema se clasifica como:

• Sistema Abierto: interacciona con el entorno intercambiando materia y energía.

• Sistema Cerrado: intercambia energía con el entorno, mas no materia.

• Sistema Aislado: No intercambian en lo absoluto con el entorno. Constituye una idealización de mucha ayuda en la Termodinámica.

Según las fases que lo constituyen, los sistemas también se clasifican como:

• Homogéneos: sistemas constituidos por una sola fase. Las propiedades termodinámicas tienen el mismo valor en todos los puntos del sistema.

• Heterogéneo: el sistema está constituido por varias fases separadas entre sí por una interface. Las propiedades termodinámicas no son las mismas en todos los puntos del sistema.

Variables o Propiedades Termodinámicas

Para describir un sistema termodinámico debemos conocer los valores de una serie de propiedades observables macroscópicamente, llamadas variables o propiedades termodinámicas, por ejemplo, presión (P), temperatura (T), densidad (ρ), volumen (V), entre otros. No todas las variables termodinámicas son independientes, ya que una vez definidas algunas de ellas las otras pueden obtenerse en función de estas, mediante una ecuación de estado.

Las variables termodinámicas pueden clasificarse en:

• Extensivas: son aquellas que dependen de la cantidad de materia. Por ejemplo el volumen, ya que el volumen que representa a un kilo de agua, es direfente alvolumen que representa diez kilos de

agua.

• Intensivas: son las independientes de la cantidad de materia. Por ejemplo el punto de ebullición, ya que si se tiene un litro de agua, su punto de ebullición es 100°C (a la presión de 1atm). Si se agrega otro litro de agua, el nuevo sistema, formado por dos litros de agua, tiene el mismo punto de ebullición que el sistema original.

En general el cociente entre dos magnitudes extensivas nos da una magnitud intensiva, por ejemplo la división entre la masa y el volumen nos da la densidad.

Estado de un Sistema

El estado de un sistema, es la condición del mismo en un momento dado y queda definido cuando cada una de sus propiedades tiene un valor definido. Si un sistema en dos momentos distintos presenta los mismos valores de sus propiedades, se dice que estuvo en el mismo estado en ambos instantes.

Ahora bien, si un sistema en dos momentos distintos presenta variación en al menos una de sus propiedades, se dice que ha ocurrido un cambio de estado. Este cambio de estado que se verifica en el sistema está totalmente definido cuando se especifican los estados inicial y final, en términos de las propiedades que lo definen.

Procesos Termodinámicos

Se entiende como proceso termodinámico al conjunto de transformaciones que ocurren cuando un sistema evoluciona desde un estado inicial hacia un estado final.

Algunos procesos se caracterizan por ocurrir bajo una restricción impuesta durante la realización del mismo y por lo tanto se les asignan un nombre especial.

• Procesos Isotérmicos: son aquellos en que la temperatura permanece constante en el curso de las transformaciones.

• Procesos Isobáricos: la presión permanece constante durante el proceso.

• Procesos Isocóricos: se lleva a cabo en un sistema de paredes rígidas por lo tanto el volumen es constante.

• Procesos Adiabáticos: no hay absorción ni desprendimiento de calor por parte del sistema. En otras palabras, no existe transferencia de calor.

Equilibrio Termodinámico

Cuando las propiedades de estado toman un valor constante en el tiempo, se dice que el sistema ha alcanzado el Estado de Equilibrio Termodinámico. Entonces podemos afirmar que un sistema está en equilibrio si, y solo si, está en un estado desde el cual no es posible ningún cambio sin que haya cambios netos en el entorno. Esto nos quiere decir, que todos los sistemas tienden a un estado de equilibrio siempre y cuando se aíslen de los alrededores suficiente tiempo.

El equilibrio Termodinámico implica tres equilibrios distintos y simultáneos, estos son:

• Equilibrio Térmico: la temperatura es igual en cualquier punto del sistema.

• Equilibrio Mecánico: la presión es la misma en todo el sistema.

• Equilibrio Químico: es cuando la composición química del sistema no varía con el tiempo.

Se dice que un sistema en equilibrio es estable si luego de una perturbación en las condiciones del sistema este vuelve a su estado original, a diferencia del sistema inestable. En cambio un sistema meta estable se comportará como un sistema estable siempre y cuando la perturbación sobre el sistema no sea lo suficientemente grande.

Ley Cero de la Termodinámica

La ley cero de la Termodinámica establece que si dos cuerpos A y B están en equilibrio térmico y a su vez B está en equilibrio térmico con otro cuerpo C; entonces A y C están también en equilibrio térmico. De esta definición podemos establecer entonces que el equilibrio térmico es una propiedad transitiva.

Por definición tenemos entonces: dos sistemas en equilibrio térmico entre sí tienen la misma temperatura; dos sistemas que no están en

equilibrio térmico entre sí tienen temperaturas diferentes. De esta manera hemos definido la temperatura como la propiedad termodinámica común en los sistemas de equilibrio térmico.

Ahora ¿cómo medimos la temperatura? Seguramente ya tienes la respuesta a esto y sabes que es mediante los Termómetros; en la industria encontramos comúnmente los termómetros de bulbo y las termocuplas o termopares. Los primeros se basan en el hecho de que la variación de volumen de los líquidos es en muchos casos proporcional a la temperatura (esto es más acertado para los metales, de allí que el mercurio sea el fluido más utilizado en los termómetros), los segundos se fundamentan en el fenómeno de que si ciertos metales se ponen en contacto en dos puntos a temperaturas diferentes se produce una fuerza electromotriz (fem) que es proporcional a la diferencia de temperatura.

En general, dada una propiedad que varíe con la temperatura, esta se puede utilizar para construir un termómetro.

Bibliografía

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