Sistemas Termodinamicos

SISTEMAS TERMODINÁMICOS

Definición y características

Manuel Zamora Carranza (1998) nos dice que: El sistema termodinámico de define como cualquier porción del mundo real que está limitada por una superficie cerrada, ya sea real o imaginaria. Cuando la superficie límite sea real, diremos que constituye una pared. El resto del mundo no comprendido dentro del sistema se conoce como medio externo, el cual incluye a la pared, siempre que exista. Al conjunto formado por el sistema termodinámico y el medio externo se le llama universo, denominación que carece de cualquier interpretación cosmológica y engloba a todos los elementos capaces de influir o ser influidos por el sistema bajo estudio.

El primer objetivo de la termodinámica consiste en explicar los sistemas termodinámicos tal y como aparecen en la naturaleza, sin que se realice sobre ellos ningún tipo de hipótesis de estructura ni modelo de comportamiento. Para la termodinámica el sistema es como una caja negra en la que no se aprecia ninguna particularidad íntima y sólo puede llegar a conocerse por sus reacciones ante los estímulos externos que el operador intencionadamente le aplique.

De lo establecido se infiere que todo aquello que no pertenezca al sistema, tanto las paredes como el resto del medio externo, puede idealizarse para destacar sus aspectos esenciales y verdaderamente significativos con el fin de realizar a partir de ellos una descripción relativa del sistema. Así, se define un medio mecánico ideal como aquella parte aquella parte del mundo externo que satisface estrictamente las leyes de la mecánica. Ello implica dos hechos significativos importantes: El primero es la posibilidad de su realización como un límite del comportamiento real, ya que en el mundo existen muchos cuerpos que satisfacen bien las leyes mecánicas. El segundo es su empleo para el estudio del sistema, lo que está garantizado porque este medio idealizado puede utilizarse para intercambiar trabajo con él, trabajo que se determina exactamente por el cambio que experimenta la energía mecánica del medio. De esta forma, no sólo es realizable experimentalmente, sino que además el medio mecánico se transforma en un medidor del trabajo intercambiado por el sistema.

Delimitación de los sistemas termodinámicos

El sistema termodinámico, como cualquier otro sistema físico, se define con la intención de que pueda ser reconocido por el observador en cualquier instante y lugar. Por ello, en muchos casos la superficie límite, que puede ser simplemente geométrica, se materializa en una pared que pertenece al medio externo. Esas paredes, a su vez, se idealizan destacando en ellas una única propiedad e ignorando las restantes, entre ellas su masa. Esa especificidad de las paredes se utiliza al fundamentar la teoría y resulta imprescindible para realizar una descripción relativa y distinguir las diferentes causas externas que modifican los estados de equilibrio del sistema. En efecto, las paredes básicas son las siguientes:

1 Paredes impermeables, que no puedes ser penetradas por ningún tipo de materia. Todo sistema rodeado por este tipo de pared se conoce como sistema cerrado y su parámetro característico es la materia que contiene medida, con frecuencia, por su masa pesante. Los principios de la termodinámica clásica se han establecido para estos sistemas.

2 Paredes adiabáticas, son aquellas paredes impermeables a cuyo través sólo puede darse o tomarse trabajo, sin que quepa ninguna otra acción entre el sistema y el medio externo. En estos casos el sistema se encuentra sometido sólo a los parámetros mecánicos del medio que le rodea, que son las únicas ligaduras externas que actúan sobre él.

3 Paredes diatermas, corresponde a paredes impermeables a cuyo través pueden realizarse todas las acciones posibles, en consecuencia el sistema está sometido a la totalidad de las ligaduras externas, excepto a las propias de la masa.

4 Paredes aislantes, se refieren a las paredes impermeables y adiabáticas que tampoco permiten trasvase de trabajo, es decir, no aceptan ninguna interacción a su través.

Los dos últimos tipos de pared representan la posibilidad de mantener la masa constante y permitir todos los trasvases o ninguno. Con frecuencia aceptan calificativos que matizan la posibilidad o la imposibilidad de unos u otros trasvases.

Como puede apreciarse, la misión primordial de las paredes idealizadas consiste en desconectar el sistema del mundo externo, impidiendo que los parámetros externos se conviertan en ligaduras externas del sistema. De esta forma se consigue que el sistema ignore unos aspectos del medio externo y ponga de manifiesto otros en los que podamos estar interesados. Obsérvese que un sistema rodeado de paredes aislantes rompe todas sus ligaduras con el exterior y, en realidad, se convierte en un universo en sí mismo. Esto ha generado históricamente una relación de escala entre esos universos locales de laboratorio, los sistemas aislados, y el Universo, que le ha conferido a la termodinámica una cierta tradición cosmológica que aún no ha desaparecido.

Como hemos visto, las paredes idealizadas nunca se consideran incluidas dentro del sistema pues ello implicaría asignarle al sistema el modelo de comportamiento de la pared, lo que es contrario al objetivo de la termodinámica. Pero las paredes no sólo pueden ser externas, también pueden usarse para separar unas partes del sistema de otras, a éstas les llamaremos paredes internas. Los sistemas termodinámicos que no contienen paredes internas se conocen como sistemas simples. Cuando se encuentren sistemas con paredes internas, serán considerados sistemas compuestos y se estudiarán mediante la superposición de los sistemas simples que lo formen.

A consecuencia de nuestra incapacidad de penetrar en el sistema bajo estudio, es imposible describir completamente los cambios temporales que experimenta un sistema termodinámico a lo largo de un proceso. Debido a ello, la termodinámica estudia los estados de equilibrio sin incluir los procesos que los conectan o idealizándolos de forma que cumplan condiciones especiales.

Clasificación de sistemas

Un Sistema Termodinámico puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, la atmósfera terrestre, etc. Este sistema puede estar separado por paredes imaginarias o reales del resto del mundo.

Para su mejor estudio se clasifican en:

1. Sistemas Abiertos

Pueden ser de flujo estable y de

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