Se define sistema termodinámico a cualquier sustancia o conjunto de sustancias, de masa fija, que se suponen limitadas por una envoltura o por una superficie ideal. Este límite, que separa el sistema del espacio exterior, puede ser móvil o fijo. Si se calienta el cilindro por su base, aumentará la temperatura del gas y su volumen, y el émbolo pasará de la posición inicial a otra posición. Es decir, el sistema recibió energía calorífica y entregó energía mecánica, en este caso el sistema tiene límite móvil. En cambio, el gas encerrado en un recipiente hermético y rígido es un sistema con límite fijo. Cuando el sistema recibe influencia desde el exterior, la energía calorífica y la energía mecánica cruzan los límites del sistema. El sistema es aislado cuando no experimenta influencia alguna desde el exterior, en cuyo caso la energía calorífica y mecánica no cruzan los límites del sistema. El vaso Dewar es uno de los mejores recipientes con paredes adiabáticas; son frascos de doble pared entre las cuales se ha hecho el vacío, sus caras internas llevan un baño de plata, en estas condiciones el calor no se puede transmitir por conducción, sí por convección, debido al vacío que existe entre las dos paredes del vaso. Pero en las determinaciones prácticas de la termodinámica, los sistemas aislados son escasos y no llevan importancia, sino que en general los sistemas están influidos por el medio exterior. Se define sistema cuando se trata de una cantidad fija de masa y volumen o sistema de control cuando hay flujo de masa. El primero constituye un sistema cerrado y el segundo un sistema abierto, si el volumen límite está constituido por una única sustancia el sistema es homogéneo, si está constituido por varias sustancias se trata de un sistema heterogéneo. En la termodinámica se analizan especialmente los sistemas termo-elásticos, llamados así porque efectúan cambios de calor con el medio exterior que los rodea y experimentan variaciones de volumen por efecto de la modificación de su presión o temperatura. Son sistemas termo-elásticos, los gases y los vapores encerrados en un recinto cualquiera.

Sistema, Estado Termodinámico, Transformaciones

Más adelante veremos que para analizar la transferencia de energía que experimenta un sistema o volumen de control, es necesario conocer sus características descriptivas o propiedades, las cuales pueden ser clasificadas en 2 grupos:

A) Intensivas: Cuando son independientes de la masa, por ejemplo, la temperatura, la presión, etc.

B) Extensivas: Cuando dependen de la masa, por ejemplo, el volumen total, la energía interna, el calor.

Por lo tanto, el estado de un sistema queda definido mediante los valores de un cierto número de propiedades variables. Es decir, el conjunto de los valores de todas las propiedades que posee un sistema individualiza su estado. En particular, el estado termodinámico queda definido mediante los valores de la presión, el volumen y la temperatura. La representación usual en termodinámica es mediante el diagrama de Clapeyron, tomando de abscisas los volúmenes o volúmenes específicos y en la ordenada las presiones. Cada punto de este diagrama representa el estado del sistema a una cierta temperatura. Cuando algunas de las propiedades del sistema sufren un cambio continuo, experimenta una transformación. Si el estado final del sistema es distinto del estado inicial, se ha producido una transformación abierta. Si, en cambio, al final de la transformación el estado del sistema coincide con el estado inicial, se dice que el sistema ha recorrido una transformación cíclica. Un ejemplo de transformación abierta es la lenta fusión del hielo, pues al final de la misma el volumen es diferente.

Transformaciones más comunes que puede experimentar un gas:

A) Transformación isobárica: Presión constante.

B) Transformación isométrica: Volumen constante.

C) Transformación isotérmica: Temperatura constante.

D) Transformación adiabática: Calor constante.

Equilibrio Termodinámico

Cuando un sistema modifica su estado, tienen lugar acciones mutuas entre el sistema y el medio exterior. Estas acciones recíprocas pueden ser de carácter mecánico, térmico o químico:

A) Si no existe equilibrio mecánico, es decir, si entre el sistema y el medio exterior se ejercen fuerzas, el sistema, o el sistema y el medio ambiente, experimentan un cambio de estado, el cual no cesará hasta que se haya restablecido el equilibrio mecánico.

B) Si no existe equilibrio térmico, es decir, si todas las partes de un sistema no se encuentran a la misma temperatura y esta no es igual a la del medio ambiente, también tendrá lugar un cambio de estado que cesará solo cuando el sistema y el medio ambiente alcancen el equilibrio térmico.

C) Si no existe equilibrio químico, es decir, si el sistema puede experimentar un cambio de su estructura interna, tal como una reacción química, produce un cambio de estado que en algunos casos es muy lento. El cambio de estado del sistema cesa cuando alcanza su equilibrio químico. Se dice que un sistema posee equilibrio termodinámico cuando se encuentra en equilibrio mecánico, químico y térmico. Si el sistema se encuentra en equilibrio termodinámico con el medio ambiente, está en estado muerto. Habiendo equilibrio termodinámico no habrá tendencia a producirse ningún cambio de estado en el sistema. En cambio, si un sistema no cumple con alguno de los 3 equilibrios, no tendrá equilibrio termodinámico y, en consecuencia, los estados por los cuales pasa el sistema no se pueden definir en función de variables termodinámicas que se refieren al sistema en conjunto.

Trabajo Interno, Trabajo Externo

Un sistema en conjunto realiza trabajo externo o mecánico cuando se desplaza venciendo las resistencias o fuerzas exteriores que lo sujetan. Por convención, el trabajo realizado por el sistema sobre el medio exterior es positivo, el realizado por el medio exterior sobre el sistema es negativo. Durante la expansión de un gas por efecto de la temperatura se realiza un trabajo positivo, ya que el gas lo realiza sobre el medio ambiente. En cambio, en su compresión se realiza un trabajo negativo, pues en este caso es el medio exterior quien lo realiza sobre el gas. En los sistemas termo-elásticos se pueden presentar 3 clases de trabajos externos:

A) Trabajo de expansión.

B) Trabajo de flujo.

C) Trabajo de circulación.

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