Fundamentos de la Termodinámica: Conceptos y Tipos de Sistemas

La termodinámica es una ciencia macroscópica que estudia las relaciones entre las diversas propiedades de equilibrio de un sistema y los cambios que experimentan estas propiedades de equilibrio durante un proceso.

Las leyes de la termodinámica postulan que la energía puede ser intercambiada entre sistemas fisicoquímicos en forma de calor y trabajo.

Tipos de energía

• Energía calórica
• Energía cinética
• Energía química
• Energía nuclear

Calentamiento: movimiento de las partículas calóricas.

Conceptos de la termodinámica

Sistema termodinámico: Es todo objeto o región del espacio de interés, que está sujeto a estudios y es definido por el observador. Es necesario establecer de forma precisa la parte del universo, distinguiéndose así:

Sistema:

Parte del universo objeto de estudio.

Entorno:

Porción del universo que interactúa con el sistema, pero no es objeto de estudio.

Frontera:

Separación real o imaginaria entre el sistema y el entorno.

Universo = Sistema + Entorno

El tipo de frontera determina qué tipo de interacción se puede producir entre el sistema y su entorno.

Tipos de frontera

• Movibles o fijas (permiten un cambio o no de volumen del sistema)
• Movibles o flexibles
• Permeables, impermeables (permiten el intercambio de materia entre el sistema y su entorno)
• Semi permeables
• Paredes adiabáticas o diatérmicas (permiten o no el intercambio de su energía (calor), no permiten el paso de calor.)

Tipos de sistemas termodinámicos

Sistemas abiertos: son aquellos que pueden intercambiar materia y energía con el entorno. (ej. automóvil que echa combustible y desprende gases y calor al entorno)

Sistemas cerrados: son aquellos que pueden intercambiar energía con el entorno pero no materia. (ej. lata de cerveza mientras no esté abierta).

Sistemas aislados: son aquellos que no pueden intercambiar su materia ni energía con el entorno (ej. un termo lleno de agua caliente cerrado).

Ecuación de Estado: es la ecuación matemática que une las variables termodinámicas y, por lo tanto, permite definir el sistema termodinámico.

Equilibrio dinámico: significa que se dan simultáneamente 3 situaciones:

• Equilibrio térmico: la temperatura no cambia,
• Equilibrio químico: la composición no cambia,
• Equilibrio mecánico: las dimensiones no cambian.

Condición de equilibrio: cuando las variables termodinámicas se mantienen fijas (constantes) en el tiempo.

Equilibrio: no es sinónimo de estar quieto, de hecho, la mayoría de los equilibrios son de tipo dinámico (la cantidad que entra al sistema es igual a la que sale).

Proceso termodinámico: es la manera de cómo se realizan los cambios de estados en un sistema.

Tipos de procesos:

• Proceso abierto: es aquel donde el estado final es igual al estado inicial (procesos cíclicos) (cambiar agua e.i fría-e.f caliente).
• Proceso cerrado: es aquel donde el estado final es igual al estado inicial (agua caliente se olvida y queda fría).
• Proceso reversible: es un proceso imaginario, los cambios de variables de estado son infinitesimales.
• Proceso irreversible: el sistema solo está en equilibrio en el estado inicial y final.

Procesos específicos sobre el cambio de estado:

• Proceso isotérmico: ocurre a temperatura constante;
• Proceso isobárico: ocurre a presión constante;
• Proceso isocórico: ocurre a volumen constante;
• Proceso adiabático: no hay transferencia de calor;
• Proceso diatérmico: sí hay transferencia de calor.

Energía: se define como la capacidad de un sistema para producir trabajo.

Energía interna U: característica del estado en que se encuentra el sistema y equivale a la suma cinética y potencial.

Calor: se define como la energía transferida en un proceso entre el sistema y su entorno. (los cuerpos no guardan calor)

Trabajo: es la energía transferida entre el sistema y su entorno mediante depósitos mecánicos.

Ley cero de la termodinámica: es el principio cero de la termodinámica.

Primera ley de la termodinámica: establece que si se realiza un intercambio de calor o trabajo entre el sistema y su entorno.

Segunda ley de la termodinámica: establece criterios para esta importante predicción.

Entalpía: el trabajo se origina como una consecuencia de cambios de presión y volumen. (el trabajo realizado contra la atmósfera cuando el sistema se expande).

Entropía: se puede interpretar como una medida de la distribución aleatoria de un sistema.