Sistemas Termodinámicos

En Termodinámica, un Sistema es donde suceden todos los fenómenos o Procesos Termodinámicos, es decir, todas las transformaciones de Energía que son de importancia en los estudios de aquella rama de la Física.

El Sistema y sus Tipos

El Sistema, un término usual, se define como cualquier porción del Universo aislado en un recipiente inerte, que puede ser real o imaginario, con el fin de estudiar el efecto de las diversas variables sobre él.

A su vez la porción de universo excluido del sistema se denomina “contorno”. El contenido de un sistema puede variar ampliamente desde una cantidad pequeña de agua, por ejemplo, hasta el Universo total.

Las interacciones entre un sistema y su contorno, son muy importantes en Termodinámica, y cuando entre ambos existe intercambio de materia y energía tenemos un Sistema Abierto, y Sistema Aislado en caso contrario. Se llama Sistema Cerrado aquel que no intercambia materia con sus alrededores, pero si Energía.

Sistema Abierto es aquél que intercambia Materia y Energía con su Contorno

Sistema Aislado es aquél que no intercambia nada con su Contorno

Sistema Cerrado es aquel que intercambia sólo Energía o Trabajo con su Contorno

Un Sistema Homogéneo contiene únicamente una fase, mientras que un Sistema Heterogéneo contiene más de una. Se define por Fase la porción homogénea de un sistema, físicamente diferenciable y separable mecánicamente.

Un Sistema Homogéneo contiene una única fase visible

Un Sistema Heterogéneo contiene dos o más fases a la vista

Si en el Sistema “Agua” coexisten el Hielo, el Líquido y el Vapor, cada una constituye una fase separada de otras por un límite. Aún más, cada fase puede ser continua como la liquida o gaseosa o dividida en porciones menores como una masa de cristales de hielo.

El término “Separable mecánicamente” de la definición significa que las fases pueden separarse entre sí por operaciones tales como la Filtración, Sedimentación, Decantación u otros procedimientos mecánicos, como por ejemplo la recolección a mano de los cristales.

No incluye, sin embargo, otros procedimientos de separación tales como Evaporación, Destilación, Adsorción o Extracción. Como los gases son miscibles totalmente, sólo es posible un sistema de una fase gaseosa.

Con líquidos o sólidos no parece existir un límite teórico al número posible de fases, pero ocho es el máximo de fases liquidas observadas en un Sistema.

Propiedades y Variables de un Sistema

Las Propiedades de un Sistema se dividen en dos clases: Intensivas y Extensivas.

Propiedades Intensivas: Son aquellas cuyo valor es independiente de la cantidad total siendo función de la concentración de sustancia, así tenemos a la densidad, índice de refracción y masa, volumen o energía molar.

Propiedades Extensivas: Son las que dependen de la cantidad de sustancia del sistema, por ejemplo, la masa total, el volumen y la energía.

En ausencia de fuerzas especiales, como los Campos magnéticos o Eléctricos, las Propiedades Extensivas de una Sustancia pura, dependen de Dos de Tres variables, Presión, Volumen y Temperatura, y el Número de Moles n, de la sustancia presente.

Sólo dos de las variables de estado son independientes, porque en principio se supone que el sistema posee una ecuación que relaciona P, V y T; esto hace que una de las variables resulte dependiente.

En la actual discusión, se elegirá a las variables P y T como dos independientes. En consecuencia, cuando n es constante, las propiedades Extensivas de un sistema dependen únicamente de P y T, igual conclusión se aplica a las intensivas.

Por definición las intensivas son independientes de n y de aquí que P y T son las únicas variables independientes involucradas.

Cuando se trata de soluciones la situación es distinta. Las propiedades Extensivas son función de P, T y el número de moles de los diferentes constituyentes presentes, es decir, n₁, n₂, n₃, etc.

A su vez las Propiedades intensivas dependen de P, T y las concentraciones de las diversas especies. El número de variables de estas últimas es una menos que el total de constituyentes de la solución por la razón siguiente: Si expresamos la concentración en Fracción molar, la especificación de todas menos una de éstas da la última de ellas por sustracción de la unidad, que es la suma de todas las fracciones molares.

X₁ + X₂ + X₃ = 1

X₁ = 1 – (X₂ + X₃)

Una vez que se encuentran especificados los valores de las variables independientes de un Sistema el estado del mismo queda determinado.

Para devolver el sistema a sus condiciones iniciales, las variables deben ajustarse a su valor original. Este hecho por el cual el estado de un sistema se repite al repetir el valor de las variables, se conoce como Principio de Reproducibilidad de los Estados.

Ejemplos de Sistemas Termodinámicos

El Cuerpo humano es un Sistema Abierto al alimentarse y excretar e intercambiar Energía.

Las especies vegetales son sistemas Abiertos al hacer fotosíntesis, que involucra Materia y Energía.

Un pistón de un motor de Combustión interna es un Sistema Abierto.

La tubería de un frigorífico es un sistema cerrado porque el gas refrigerante fluye en su interior pero absorbe el calor de los alimentos.

Una hielera de poliestireno es un Sistema Aislado, ya que sólo encierra los alimentos para mantenerlos a una temperatura, sin intercambiar calor con el exterior.

Una paila para fundición es un Sistema Abierto, pues se le alimenta el metal para fundirlo, y es inevitable que a su alrededor haya mucho calor.

El Vaso de una licuadora es un Sistema Cerrado, pues se le añade el alimento a moler, y se mantiene bien tapado. Si el alimento está caliente o frio, se llega a transmitir por sus paredes.

Una Olla de Presión es un Sistema Cerrado, pues encierra el alimento a cocer y es inevitable que se transmita calor a los alrededores. Se convierte en un Sistema Abierto cuando empieza a liberar presión arrojando vapor hacia afuera.

Los Volcanes son un Sistema Abierto, pues al entrar en erupción arrojan lava y una enorme cantidad de calor.

Un Horno doméstico es un Sistema Abierto al recibir la constante alimentación de gas ardiendo, y emitir una ligera cantidad de calor durante la cocción del alimento.