Fisicoquimica. Los conceptos básicos

Los conceptos básicos

A los efectos de la termodinámica, el universo se divide en dos partes, el sistema y su entorno. El sistema es la parte del mundo en la que tenemos un interés especial. Puede ser un recipiente de reacción, un motor, una celda electroquímica, una celda biológica, etc. Los alrededores comprenden la región fuera del sistema y es donde hacemos nuestras mediciones. El tipo de sistema depende de las características de la frontera que lo divide del entorno (Fig. 2.1). Si la materia puede transferirse a través de la frontera entre el sistema y su entorno, el sistema se clasifica como abierto. Si la materia no puede atravesar la frontera, el sistema se clasifica como cerrado. Tanto los sistemas abiertos como los cerrados pueden intercambiar energía con su entorno. Por ejemplo, un sistema cerrado puede expandirse y por lo tanto elevar un peso en el entorno; un sistema cerrado también puede transferir energía a los alrededores si están a una temperatura más baja. Un sistema aislado es un sistema cerrado que no tiene ni contacto mecánico ni térmico con su entorno.

a) Definiciones operativas

La propiedad física fundamental en la termodinámica es el trabajo: se realiza trabajo para lograr movimiento contra una fuerza opuesta. Un ejemplo simple es el proceso de levantar un peso contra la atracción de la gravedad. Un proceso funciona si, en principio, se puede aprovechar para levantar un peso en algún lugar del entorno. Un ejemplo de hacer trabajo es la expansión de un gas que empuja un pistón: el movimiento del pistón, en principio, se puede usar para levantar un peso. Una reacción química que impulsa una corriente eléctrica a través de una resistencia también funciona, porque la misma corriente podría pasar a través de un motor y usarse para levantar un peso.

La energía de un sistema es su capacidad para realizar un trabajo. Cuando se realiza trabajo en un sistema aislado (por ejemplo, comprimiendo un gas o enrollando un resorte), la capacidad del sistema para realizar trabajo aumenta; en otras palabras, se incrementa la energía del sistema. Cuando el sistema funciona (cuando el pistón sale o el resorte se desenrolla), la energía del sistema se reduce y puede hacer menos trabajo que antes. Los experimentos han demostrado que la energía de un sistema puede cambiarse por medios distintos al trabajo mismo. Cuando la energía de un sistema cambia como resultado de una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno, decimos que la energía se ha transferido en forma de calor. Cuando un calentador se sumerge en un vaso de precipitados con agua (el sistema), la capacidad del sistema para realizar trabajo aumenta porque el agua caliente se puede utilizar para realizar más trabajo que la misma cantidad de agua fría. No todos los límites permiten la transferencia de energía aunque exista una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno. Los límites que permiten la transferencia de energía en forma de calor se denominan diatérmicos; los que no lo hacen se llaman adiabáticos.

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