Sistemas Termodinámicos

Un sistema termodinámico es una parte del Universo que se relaciona con su entorno mediante intercambios de materia y/o energía a través de sus paredes. Los sistemas termodinámicos se clasifican en:

• Abiertos: pueden intercambiar tanto materia como energía con el entorno.
• Cerrados: no pueden intercambiar materia con el entorno, pero sí energía.
• Adiabáticos: no pueden intercambiar ni materia ni energía en forma de calor con el entorno, pero sí energía en forma de trabajo.
• Aislados: no pueden intercambiar ni materia ni energía con el entorno.

Variables Termodinámicas

La termodinámica relaciona los aspectos microscópicos del sistema con los macroscópicos para explicar los intercambios de calor y energía. Esto se realiza mediante las variables o parámetros termodinámicos. Por ejemplo: presión (P), temperatura (T), volumen (V), que son también variables de estado. Estas variables pueden clasificarse como:

• Intensivas: independientes de la cantidad de materia.
• Extensivas: dependen de la cantidad de materia.

Las funciones de estado son aquellas cuya modificación no depende de los pasos intermedios por los que va evolucionando el sistema, solo de su estado inicial y final.

Intercambio de Energía en Forma de Calor

• Sólido: las partículas tienen posiciones fijas, pero presentan movimiento de vibración.
• Líquido: las partículas tienen más libertad, pero no un desplazamiento libre debido a las interacciones entre ellas.
• Gaseoso: las partículas se mueven con total libertad.

Se puede hablar de energía cinética media de las partículas. La temperatura de un cuerpo es proporcional a la energía cinética promedio de las partículas que lo forman.

Cuando se tienen dos sistemas, estos pueden estar separados por paredes:

• Adiabáticas: las paredes mantienen aislados a los sistemas, impidiendo las transferencias de energía en forma de calor.
• Diatérmicas: permeables a los intercambios energéticos por medio de calor.

El calor es la energía transferida de un sistema a otro a causa de una diferencia de temperatura entre ambos. Se alcanza el equilibrio térmico cuando ambos sistemas tienen la misma temperatura.

Principio Cero de la Termodinámica

Dos sistemas que se hallan en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí.

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica es la cantidad de calor necesaria para producir en un cuerpo una variación térmica de un Kelvin. Se mide en J/K.

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para producir en la unidad de masa de una sustancia una variación térmica de un grado Celsius o Kelvin.

Sistemas Gaseosos

• Cuanto mayor sea el número (N) de partículas que haya en un sistema gaseoso, mayor será la presión, porque habrá más choques entre las partículas y las paredes del recipiente.
• Mayor sea la velocidad de las partículas que chocan, mayor será su energía cinética, la temperatura y el efecto que producen, por lo tanto, también será mayor la presión.
• A mayor volumen, menor será la frecuencia de colisión de las partículas con las paredes del recipiente y menor será la presión.

Equilibrio Termodinámico

Un sistema homogéneo está en equilibrio termodinámico cuando sus propiedades macroscópicas permanecen invariables a lo largo del tiempo. Existen diferentes tipos de equilibrio:

• Mecánico: la presión es igual en todo el sistema. No hay desplazamientos netos de materia y el volumen no varía.
• Químico: la composición del sistema no varía con el tiempo, no hay transferencia neta de materia entre diferentes partes del sistema o entre el sistema y el entorno.
• Térmico: la temperatura es la misma en todo el sistema.

Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando se dan conjuntamente los tres equilibrios (mecánico, químico y térmico) en el mismo sistema.

Un proceso termodinámico ocurre cuando un sistema evoluciona desde un estado definido por un valor de sus variables a otro estado distinto.

Esparcía: Intercambio de Energía en Forma de Trabajo

Además del calor, otra forma de transferir energía desde un sistema que tiene una temperatura determinada a otro con menor temperatura es mediante trabajo. La forma habitual de realizar un trabajo sobre un sistema termodinámico es mediante un cambio de volumen.

Equivalencias entre Trabajo y Calor

Los cuerpos no tienen calor, sino un contenido energético que no podemos medir directamente. Lo que sí podemos medir son los intercambios energéticos producidos por medio del calor y/o el trabajo transferido, los cuales provocarán variaciones en la energía interna del sistema.

El calor se transmite cuando existen diferencias de temperatura entre un sistema y su entorno. El trabajo se transfiere cuando actúan fuerzas entre el sistema y el entorno que producen algún desplazamiento en cualquiera de ellos.

El factor equivalente mecánico de calor establece que para generar una caloría es preciso transformar 4,1868 julios. El calor y el trabajo son magnitudes semejantes y son dos formas de transmitir energía entre los sistemas.

Primer Principio de la Termodinámica

Un sistema sometido a fuerzas conservativas tendrá una energía total que será la suma de sus energías cinética, potencial y energía interna. La energía interna de un sistema de partículas es el conjunto de sus energías traslacional o cinética, rotacional y vibracional, así como de la energía debida a sus núcleos y electrones.

La termodinámica estudia la evolución de los sistemas y efectúa un balance entre las transferencias energéticas absorbidas o emitidas.

El Primer Principio de la Termodinámica establece que cuando un sistema evoluciona mediante un determinado proceso, su variación de energía interna es igual a la cantidad de energía intercambiada con el entorno en forma de calor y/o trabajo.

Estudio de Isoprocesos

Los sistemas evolucionan de un estado a otro a través de diferentes tipos de transformaciones, que son los procesos termodinámicos. Algunos de los procesos termodinámicos más importantes son:

• Transformación isobárica: se efectúa a presión constante. Un ejemplo son las reacciones químicas a cielo abierto.
• Transformación isocórica: se efectúa a volumen constante.
• Transformación isotérmica o isoterma: se efectúa a temperatura constante.
• Transformación adiabática: se efectúa sin intercambio de calor con el exterior.