Fundamentos de Termodinámica: Sistemas, Estados y Primer Principio

Sistema y transformaciones termodinámicas

1. Definición de sistema termodinámico

Un sistema termodinámico es cualquier porción del Universo que sea objeto de estudio. El entorno es el resto del Universo que está fuera del sistema, aunque se limita a un entorno práctico, que es la zona cercana al sistema capaz de interaccionar con él. Los límites pueden ser:

• a) Reales.
• b) Imaginarios.

Un sistema, según sus intercambios con el entorno, puede ser:

• a) Abierto: Puede intercambiar materia y energía con el entorno.
• b) Cerrado: Puede intercambiar energía, pero no materia, con el entorno.
• c) Aislado: No puede intercambiar ni materia ni energía con el entorno.

Una fase es la región con composición y propiedades homogéneas. Los sistemas pueden ser:

• Homogéneos: Si constan de una sola fase.
• Heterogéneos: Si constan de más de una fase.

1.2. Estado de un sistema

Conocer el estado de un sistema es conocer su composición, situación y energía en un momento determinado. Se denominan funciones de estado a aquellas variables termodinámicas cuyo valor depende solo del estado del sistema y no de cómo se ha llegado a él.

1.3. El equilibrio

Un sistema está en equilibrio cuando se cumplen simultáneamente los tres equilibrios:

• Mecánico: No hay movimiento observable macroscópicamente dentro del sistema.
• Térmico: La temperatura es igual en todos los puntos del sistema.
• Químico: Su composición no varía con el tiempo.

Una transformación o cambio es cualquier variación en el estado de un sistema termodinámico. El estado anterior es el inicial y el posterior el final. Las transformaciones pueden ser:

• Reversibles e irreversibles.
• Isócoras: No hay variación de volumen.
• Isóbaras: No hay variación de la presión.
• Adiabáticas: No se transfiere calor entre el sistema y el entorno.
• Isotérmicas: No varía la temperatura del sistema.

2. Primer principio de la termodinámica

El primer principio de la termodinámica asegura que, en un estado aislado, la energía total se conserva. Hay dos tipos de energías:

• a) Calor (Q)
• b) Trabajo (W): Se refiere a otra energía que no sea calor.

La variación de energía total de un sistema es igual a la suma de los intercambios de calor y trabajo entre el sistema y su entorno.

2.2. Energía interna

Es la energía total de los componentes de un sistema (rotación de moléculas, vibración de átomos, etc.). Es una función representada por U e incalculable para un estado determinado.

2.3. Entalpía

Es una función de estado como lo es la energía interna; solo se pueden conocer sus variaciones. La fórmula es: H = U + pV. Por tanto: ΔH = ΔU + pΔV + VΔp.