Sistemas termodinámicos macroscópicos La
termodinámica clásica puede definirse como el estudio de las propiedades de sistemas macroscópicos en equilibrio. Tiene como base un pequeño número de principios llamados leyes de la termodinámica. Estos principios resultan de deducciones y generalizaciones de un gran número de experimentos y observaciones realizados en sistemas macroscópicos. Se trata de leyes fenomenológicas que se justifican porque describen correctamente los sucesos observados. Esos principios prescinden de conceptos atómicos y describen propiedades de los sistemas macroscópicos que son accesibles experimentalmente, como volumen, presión y temperatura. Si bien ésta es una limitación, en compensación significa que la termodinámica tiene gran generalidad. Cuando hablemos de sistemas macroscópicos nos estaremos refiriendo a una porción del universo delimitada por una superficie matemática cerrada. Esta superficie puede ser real, como la de un recipiente que contiene un líquido o un gas, o puede ser ficticia, como ocurre al estudiar el comportamiento de un elemento de volumen sumergido en un líquido en equilibrio. Su noción es análoga a la de sistema mecánico, en el cual podemos separar una porción del conjunto para analizar las acciones exteriores a él - que lo afectan dinámicamente - y así , considerarlo como un "sistema". El
entorno o alrededores de un sistema es la parte del resto del universo más cercana a él y con el cual puede interactuar directamente. En su relación o interacción con su entorno se pueden considerar los siguientes casos: Un sistema se denomina aislado cuando no presenta interacción alguna con el entorno. Una superficie, pared o envoltura que impida toda interacción con el entorno, excepto un desplazamiento o deformación, se llamará adiabática. Al respecto caben dos comentarios. El primero es que la pared adiabática se ha definido sin utilizar la palabra calor; el segundo es que tal envoltura se puede obtener con la aproximación necesaria en la práctica por medio del frasco de Dewar (más conocido como "termo"). Sin esto la termodinámica sería totalmente imposible, ya que sin este recurso no habría ningún calorímetro y el mismo calor no se podría medir. Diremos que el sistema es cerrado cuando no intercambia materia con su entorno. Una pared o envoltura de este tipo se denomina diatérmana o diatérmica. Esta pared solo determina la imposibilidad de intercambio de materia, pero permite el intercambio de
energía aún cuando se mantenga rígida. Cuando dos sistemas están separados por este tipo de pared se dirá que se encuentran en contacto térmico. Una excelente aproximación corresponde a cualquier recipiente metálico de uso común. Un sistema se dice abierto cuando puede intercambiar materia con su entorno. Una pared o envoltura que lo permite se denomina permeable. Desde el punto de vista macroscópico, la descripción de la condición física de un sistema se realiza mediante un conjunto de atributos denominados parámetros o variables termodinámicas, tales como presión, volumen, temperatura, tensión, energía, campo eléctrico, etc, que pueden ser medidos experimentalmente. El estado termodinámico de un sistema está determinado por el conjunto de valores que asuman sus variables termodinámicas. Cuando el estado de un sistema no cambia con el tiempo se dice que está en equilibrio. En este caso los valores del conjunto de parámetros termodinámicos permanecen constantes. El estado de equilibrio de un sistema está determinado por unas pocas variables termodinámicas. Las propiedades que solo dependen del estado del sistema se denominan funciones de estado. Cuando el estado de un sistema cambia, se dice que ha sufrido una transformación termodinámica. En particular, si un sistema pasa de un estado a otro por una sucesión de estados de equilibrio, se dirá que la transformación es cuasiestática. Un proceso cuasiestático representa una idealización de la realidad. Para producir cambios reales debe haber diferenciasde presiones, de temperaturas, etc. Pero haciendo que estas diferencias sean lo suficientemente pequeñas se puede conseguir que el sistema se encuentre tan cerca del equilibrio como se desee. Las variables termodinámicas se pueden clasificar en dos categorías: intensivas y extensivas. Se llaman intensivas si no son afectadas al dividir un sistema termodinámico en equilibrio en subsistemas mediante
paredes diatérmicas que mantienen a su vez cada subsistema en equilibrio. En consecuencia estas variables resultan independientes del tamaño o de la masa del sistema. Ejemplos de variables intensivas son la presión, la temperatura y el potencial químico. Una variable termodinámica se dice extensiva cuando varía en relación con la extensión o la masa del sistema. Ejemplos de variables extensivas son el volumen, la energía y la entropía. Debemos agregar que de todo parámetro o variable
extensivo puede derivarse otro
intensivo que será el parámetro específico respectivo; por ejemplo del volumen puede derivarse el volumen específico que es intensivo. En la termodinámica hay dos leyes básicas, y ambas se pueden enunciar de modo de negar la posibilidad de ciertos procesos. La Primera Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina produzca trabajo sin que tenga lugar otro efecto externo, es decir niega la posibilidad de lo que se suele llamar “máquina de movimiento perpetuo de primera especie”. La Segunda Ley no se puede enunciar de modo tan preciso como la primera sin una discusión previa. Sin embargo, hecha la salvedad que ciertas definiciones se deben dar todavía, podemos decir que la Segunda Ley establece que es imposible un proceso cíclico en el cual una máquina realice trabajo intercambiando calor con una única fuente térmica. Esa máquina (inexistente) sería una “máquina de movimiento perpetuo de segunda especie”.
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