Lenguaje Termodinámico

Se llama fisicoquímica a la parte de la química que estudia las propiedades físicas y estructura de la materia, las leyes de la interacción química y las teorías que las gobiernan. La fisicoquímica recaba primero todos los datos necesarios para la definición de los gases, líquidos, sólidos, soluciones y dispersiones coloidales a fin de sistematizarlos en leyes y darles un fundamento teórico. Se dedica a la medición cuantitativa de los sistemas químicos, y las medidas no significan mucho a menos que sus unidades se establezcan con claridad.

Dentro de la física se encuentra una rama que trata del estudio de las propiedades materiales de los sistemas y de la interconversión de las distintas formas de energía, llamada termodinámica.

La Termodinámica utiliza un lenguaje propio que integra algunas palabras que son empleadas cotidianamente –calor y temperatura, por ejemplo. En Termodinámica, esos conceptos tienen un significado preciso, diferente del significado ambiguo utilizado coloquialmente.

SISTEMAS TERMODINÁMICOS

Se denomina sistema termodinámico todo sistema macroscópico limitado por una superficie frontera, abstracta o real. Es una cantidad fija de materia la cual puede estar formada por varios componentes. Cuando la frontera que limita el sistema es real, se conoce como pared. Lo que queda fuera del sistema se denomina entorno. El sistema más su entorno se denomina universo. Cada sistema puede ser, a su vez, subsistema de otro mayor, o, también, estar él mismo dividido en subsistemas.

Un sistema queda especificado cuando se conoce su naturaleza físico-química, las propiedades de las paredes que separan los diferentes subsistemas y la pared que separa todo el sistema del entorno.

Si la composición química y las propiedades físicas locales (entendidas como propiedades intensivas macroscópicas) de un sistema son iguales en todos los puntos del mismo, el sistema es homogéneo y se dice entonces que consta de una sola fase. Cuando el sistema está compuesto de varios subsistemas homogéneos o fases, se dice que es heterogéneo.

A su vez, desde el punto de vista de su composición química, un sistema puede ser monocomponente, con un solo componente, o multicomponente, formado por varias sustancias que pueden, o no, reaccionar químicamente.

Las propiedades termodinámicas del sistema son propiedades de equilibrio a una temperatura, presión y composición dadas, tal como el volumen total, V; la energía interna; U; el contenido de calor, H (puesto que es una combinación de U, P, y V); la entropía, S y la energía libre, G.

Cuando un sistema cambia de un estado de equilibrio a otro, los cambios de las propiedades termodinámicas dependen únicamente de los estados inicial y final, y son independientes de la manera en que se efectúe el cambio.

Un sistema puede interaccionar con su entorno. Por otra parte, sistemas o subsistemas termodinámicos interaccionan unos con otros.

Las interacciones entre diferentes sistemas termodinámicos, que se denominan contactos termodinámicos, están condicionadas tanto por la naturaleza de los sistemas como por el tipo de paredes separadoras.

Se dice que el sistema es abierto si se puede transferir materia a través de las paredes que separan el sistema y el medio. Un sistema abierto puede intercambiar materia y energía con el medio. Ejemplo: el cuerpo humano, célula, motor de combustión.

Por el contrario, si no puede pasar materia a través de las paredes, se dice que el sistema es cerrado. Un sistema cerrado puede intercambiar energía con el medio, pero no materia. Ejemplo: Recipiente de aluminio, cal y agua en un recipiente; sistema eléctrico, paso de electrones en un cable.

Tanto los sistemas abiertos como los cerrados pueden intercambiar energía con el medio.

Un sistema aislado es un sistema cerrado que no interactúa ni mecánica ni térmicamente con el medio. Un sistema aislado no puede intercambiar ni energía ni materia con el medio.

Un sistema adiabático es aquel en el que el intercambio de calor entre la parcela de aire seco y el medio ambiente es cero. Entalpía. Ejemplo: termo, vaso de unicel.

Todos los sistemas termodinámicos pueden encontrarse en estados privilegiados, denominados estados de equilibrio, cuya característica esencial es la estabilidad.

Tales estados, que no evolucionan en el tiempo se denominan estados de equilibrio, que se definen por el conjunto de propiedades fisicoquímicas que lo caracterizan.

EJEMPLOS

 Un neumático lleno de aire: donde el sistema es la llanta ocupando un volumen definido a una determinada presión, la frontera es el caucho (pared) y el entorno es el ambiente.

 Bañera con agua: el sistema es la bañera con una cantidad de agua determinada a temperatura, la frontera es el mármol de la bañera y el entorno es el baño.

 Olla puesta al fuego con tapadera: donde el sistema es la olla, la frontera es el exterior de la olla y el entorno es el ambiente. Es un sistema abierto porque intercambia agua a vapor (materia) y el movimiento de la tapa revela el intercambio de energía en forma de trabajo.

 La Tierra: ya que intercambia energía con el Sistema solar y la cantidad de materia que intercambia con él es despreciable en comparación con su masa. El sistema es la tierra, la corteza terrestre es la frontera y el sistema solar es el exterior. (Sistema cerrado).

 El termo: (Sistema aislado), no intercambia energía ni materia con el exterior, funcionando las paredes como frontera.

VARIABLE

En termodinámica se usan un número muy reducido de variables. Presión, volumen y temperatura son ejemplos de propiedades o variables que permiten describir estados de equilibrio de un sistema.

 Volumen (V): Región del espacio ocupada por el sistema. Se mide indirectamente utilizando, por ejemplo, una regla.

 Presión (P): Fuerza por unidad de superficie que realiza el sistema sobre las paredes que lo confinan. Se mide con un barómetro (la presión atmosférica) o con un manómetro.

Esta clase de variables mecánicas se denominan variables de trabajo. La magnetización, M; la polarización II; o la longitud de un hilo, L; la intensidad de campo magnético, H; la intensidad de campo eléctrico, E; o la tensión por unidad de sección, T.

 Temperatura (T): Es

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