Sistemas Termodinámicos: Definición, tipos y ejemplos

¿Qué es un sistema termodinámico?

Un sistema termodinámico es un sistema de materia y energía confinado a una región definida del espacio que puede intercambiar materia y energía con su entorno. Un sistema termodinámico funciona intercambiando calor y masa con el entorno que rodea el sistema. Un sistema puede comprender una barrera o una partición, y el entorno puede ser cualquier región del universo adyacente a la barrera o partición. La energía y la materia pueden sufrir transformaciones dentro de dicha partición mediante la interacción física con el entorno. Un sistema es una región definida del universo en la que tienen lugar procesos termodinámicos, mientras que los alrededores del sistema son una región del universo que envuelve al sistema y puede interactuar con él mediante el intercambio de materia y energía. Las variables generalmente medidas en un sistema termodinámico pueden incluir temperatura, presión, volumen y estados de energía interna. El estudio de variables como estas en sistemas termodinámicos proporciona una comprensión de las propiedades y comportamientos de la materia a granel.

Sistema termodinámico: ejemplo

Un ejemplo obvio de sistema termodinámico es un termómetro de mercurio ordinario. Considere el termómetro y sus alrededores, como una olla con agua hirviendo. El termómetro sumergido en el agua hirviendo intercambia calor con el agua. De este modo, el mercurio se expande en su recipiente hasta que al cabo de un tiempo alcanza la temperatura del agua hirviendo. Cuánto se expande el mercurio en el termómetro indica la temperatura del agua. Cuando el mercurio deja de expandirse en el recipiente, se considera que la temperatura del mercurio líquido y del agua hirviendo es la misma. El comportamiento del mercurio líquido confinado en su recipiente depende de las condiciones del entorno con el que puede intercambiar calor.

Leyes de la termodinámica

Hay cuatro leyes principales de la termodinámica:

La ley cero de la termodinámica afirma que si un sistema termodinámico A está en equilibrio térmico con otro sistema termodinámico B, y el sistema B está en equilibrio térmico con otro sistema termodinámico C, entonces el sistema A está en equilibrio térmico con el sistema C. Por ejemplo, esta ley se puede aplicar a tres sistemas particionados A, B y C. Si la partición A está en contacto con la partición B y la partición B está en contacto con la partición C, luego de que haya pasado un tiempo suficiente, la partición A y la partición C estará en equilibrio térmico.

La primera ley de la termodinámica es una declaración de la conservación de la energía y afirma que la energía total contenida en un sistema es la suma del calor y el trabajo que entra o sale del sistema. Esta ley se observa estrictamente en todos los procesos físicos y se utiliza para describir cómo se transforman la energía y la materia durante dichos procesos.

La segunda ley de la termodinámica afirma que cuando un sistema termodinámico llega a su macroestado más probable, cesa el flujo espontáneo entre dos sistemas. En otras palabras, la entropía de un sistema siempre es mayor o igual a cero, o la entropía tiende a aumentar. Esta ley se aplica a sistemas aislados ideales generalmente considerados en procesos físicos teóricos.

La tercera ley de la termodinámica afirma que un sistema a temperatura de cero absoluto estará en su estado energético más bajo accesible, con una multiplicidad de uno y una entropía de cero. Esta ley se aplica a sustancias cristalinas puras teóricas, pero se utiliza en gran medida para estudiar el comportamiento de materiales cerca de la temperatura del cero absoluto.

El equilibrio termodinámico ocurre cuando dos o más sistemas han estado en contacto durante un tiempo suficiente, llamado tiempo de relajación. El tiempo de relajación de los sistemas termodinámicos necesario para lograr el equilibrio termodinámico puede variar drásticamente según los sistemas. El equilibrio termodinámico significa que la cantidad que es la misma para dos o más sistemas que han estado en contacto el tiempo suficiente se llama temperatura y que el intercambio de calor entre los dos o más sistemas se ha detenido. Para el equilibrio térmico, la energía es la cantidad de intercambio que se considera.

Tipos de sistemas termodinámicos

Hay tres tipos principales de sistemas termodinámicos. Son sistemas abiertos, sistemas cerrados y sistemas aislados. Un sistema abierto puede transferir materia y energía al medio ambiente a través de alguna barrera que define una región del espacio que limita el sistema. Es posible que un sistema cerrado no transfiera materia y energía al medio ambiente a través de alguna barrera que defina una región del espacio que confine el sistema, excepto mediante transferencia de calor. Un sistema aislado no puede transferir materia y energía de ninguna forma al medio ambiente a través de alguna barrera que defina una región del espacio que confine el sistema.

Sistema abierto: ejemplos

Un sistema abierto puede intercambiar materia y energía con sus alrededores. Un ejemplo de un sistema abierto puede comprender una olla con agua hirviendo sobre una estufa caliente. El calor se transfiere a través de la estufa al agua contenida dentro de la olla, que luego hierve y libera calor y vapor de agua al aire circundante.

Ejemplos de sistemas cerrados en termodinámica

Un sistema cerrado no puede intercambiar materia y energía con sus alrededores a menos que el intercambio de energía sea en forma de calor. Un ejemplo de un sistema cerrado puede comprender una olla con agua hirviendo sobre una estufa calentada con una tapa en la olla para evitar que el agua evaporada se escape del recipiente. Aunque el calor puede escapar a través de las paredes y la tapa de la olla, ninguna masa puede escapar al aire circundante.

Sistema aislado: ejemplos

Un sistema aislado no puede intercambiar ninguna forma de materia y energía con el entorno del sistema, incluido el intercambio de calor. Un sistema aislado en equilibrio térmico posee la cualidad de que todos los microestados accesibles son igualmente probables y la entropía tiende a aumentar. No existe un verdadero sistema aislado en el universo. Sin embargo, un ejemplo ideal y teórico de un sistema aislado puede consistir en una olla de agua perfectamente aislada térmicamente y sellada en la que ni calor ni masa se transfieren dentro o fuera de la olla desde o hacia sus alrededores.

Resumen de la lección

Un sistema termodinámico es un sistema físico en el que una región dividida del espacio que contiene materia y energía puede intercambiar materia y energía con el entorno circundante del sistema. Las leyes de la termodinámica dictan cómo se producen las interacciones de un sistema termodinámico con su entorno. Hay tres tipos de sistemas termodinámicos: un sistema abierto, un sistema cerrado y un sistema aislado. Un sistema abierto puede intercambiar libremente masa y energía con el entorno que lo rodea. Un sistema cerrado puede intercambiar calor con su entorno pero no masa. Y un sistema aislado no puede intercambiar ni masa ni energía de ninguna forma con su entorno. Un verdadero sistema aislado es un sistema ideal que no puede existir en el universo. Los sistemas termodinámicos proporcionan un área de estudio importante porque describen cómo ocurre la conversión de energía en una gran cantidad de sistemas físicos. La comprensión de los sistemas termodinámicos ha llevado al descubrimiento de una variedad de tecnologías ampliamente utilizadas en la actualidad.