Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrá:
- Definir un sistema termodinámico, su límite y su entorno.
- Explicar las funciones de todos los componentes que intervienen en la termodinámica.
- Definir equilibrio térmico y temperatura termodinámica.
- Vincular una ecuación de estado a un sistema.
Un sistema termodinámico incluye cualquier cosa cuyas propiedades termodinámicas sean de interés. Está incrustado en su entorno o ambiente; puede intercambiar calor con su ambiente y realizar trabajo sobre él a través de un límite, que es la pared imaginaria que separa el sistema y el ambiente (Figura 3.2). En realidad, el entorno inmediato del sistema interactúa directamente con él y, por tanto, influye mucho más en su comportamiento y propiedades. Por ejemplo, si estudiamos el motor de un automóvil, la gasolina que se quema dentro del cilindro del motor es el sistema termodinámico; el pistón, el sistema de escape, el radiador y el aire del exterior forman el entorno del sistema. El límite está formado por las superficies interiores del cilindro y del pistón.
Normalmente, un sistema debe tener algunas interacciones con su entorno. Un sistema se denomina aislado y sistema cerrado si está completamente separado de su ambiente; por ejemplo, un gas que está rodeado de paredes inamovibles y térmicamente aislantes. En realidad, un sistema cerrado no existe, a menos que se trate todo el universo como el sistema, o se use como modelo de un sistema real que tenga interacciones mínimas con su ambiente. La mayoría de los sistemas se conocen como sistema abierto, que pueden intercambiar energía o materia con su entorno (Figura 3.3).
Cuando examinamos un sistema termodinámico, ignoramos la diferencia de comportamiento de un lugar a otro dentro del sistema para un momento dado. En otras palabras, nos concentramos en las propiedades macroscópicas del sistema, que son los promedios de las propiedades microscópicas de todas las moléculas o entidades del sistema. Por lo tanto, cualquier sistema termodinámico se trata como un continuo que tiene el mismo comportamiento en todas las partes de su interior. Suponemos que el sistema está en equilibrio. Podría tener, por ejemplo, un gradiente de temperatura a través del sistema. Sin embargo, cuando hablamos de un sistema termodinámico en este capítulo estudiamos aquellos que tienen propiedades uniformes en todo el sistema.
Antes de poder llevar a cabo cualquier estudio sobre un sistema termodinámico necesitamos una caracterización fundamental del sistema. Cuando estudiamos un sistema mecánico nos centramos en las fuerzas y los torques del sistema, y sus balances dictan el equilibrio mecánico del sistema. Del mismo modo, deberíamos examinar la transferencia de calor entre un sistema termodinámico y su ambiente o entre las diferentes partes del sistema, y su equilibrio debería dictar el equilibrio térmico del sistema. Intuitivamente, dicho equilibrio se alcanza si la temperatura pasa a ser la misma para los distintos objetos o partes del sistema en contacto térmico, y la transferencia de calor neta en el tiempo pasa a ser cero.
Así, cuando decimos que dos objetos (un sistema termodinámico y su ambiente, por ejemplo) están en equilibrio térmico, nos referimos a que están a la misma temperatura, tal y como comentamos en la sección Temperatura y calor. Consideremos tres objetos a temperaturas y respectivamente. ¿Cómo sabemos si están en equilibrio térmico? El principio que rige en este caso es la ley cero de termodinámica, tal y como se describe en la sección Temperatura y calor sobre la temperatura y el calor:
Si el objeto 1 está en equilibrio térmico con los objetos 2 y 3, respectivamente, entonces los objetos 2 y 3 también deben estar en equilibrio térmico.
Matemáticamente, podemos escribir simplemente la ley cero de termodinámica como
Esta es la forma más fundamental de definir la temperatura: dos objetos deben estar a la misma temperatura termodinámicamente si la transferencia de calor neta entre ellos es cero cuando se ponen en contacto térmico y han alcanzado un equilibrio térmico.
La ley cero de termodinámica es igualmente aplicable a las diferentes partes de un sistema cerrado y requiere que la temperatura en todas partes dentro del sistema sea la misma si el sistema ha alcanzado un equilibrio térmico. Para simplificar nuestra discusión, suponemos que el sistema es uniforme con un solo tipo de material, por ejemplo, agua en un tanque. Las propiedades medibles del sistema incluyen, al menos, su volumen, presión y temperatura. El rango de variables específicas relevantes depende del sistema. Por ejemplo, para una banda elástica estirada las variables relevantes serían longitud, tensión y temperatura. La relación entre estas tres propiedades básicas del sistema se denomina ecuación de estado del sistema y se escribe simbólicamente para un sistema cerrado como
donde V, p y T son el volumen, la presión y la temperatura del sistema en una condición determinada.
En principio, esta ecuación de estado existe para cualquier sistema termodinámico, pero no siempre está disponible. Las formas de para muchos materiales se han determinado experimental o teóricamente. En el capítulo anterior vimos un ejemplo de ecuación de estado para un gas ideal,
Hasta ahora hemos introducido varias propiedades físicas que son relevantes para la termodinámica de un sistema termodinámico, como su volumen, presión y temperatura. Podemos separar estas cantidades en dos categorías genéricas. La cantidad asociada a una porción de materia es una variable extensiva, como el volumen y el número de moles. Las otras propiedades de un sistema son variables intensivas, como la presión y la temperatura. Una variable extensiva duplica su valor si se duplica la cantidad de materia en el sistema, siempre que todas las variables intensivas sigan siendo las mismas. Por ejemplo, el volumen o la energía total del sistema se duplica si duplicamos la cantidad de materia en el sistema manteniendo la temperatura y la presión del sistema sin cambios.