Sistema termodinámico | Energía, Equilibrio y Leyes

Sistema termodinámico: descripción de energía, equilibrio y las leyes termodinámicas fundamentales que rigen el comportamiento de los sistemas físicos.

Sistema termodinámico: Energía, Equilibrio y Leyes

La termodinámica es una rama fundamental de la física que estudia la energía, el calor y el trabajo, y cómo estos conceptos se relacionan y transforman dentro de un sistema. Uno de los pilares de esta disciplina es el concepto de sistema termodinámico, que se refiere a la porción del universo que estamos estudiando. Todo lo que no pertenece al sistema se denomina entorno.

Tipos de sistemas termodinámicos

Los sistemas termodinámicos se clasifican en tres categorías principales según el tipo de intercambio que tienen con su entorno:

Sistema aislado: No intercambia ni materia ni energía con su entorno.

Sistema cerrado: Intercambia energía, pero no materia, con su entorno.

Sistema abierto: Intercambia tanto materia como energía con su entorno.

Energía en los sistemas termodinámicos

La energía es una propiedad fundamental de los sistemas termodinámicos. Esta puede manifestarse de diversas formas, tales como:

Energía interna (U): Energía total que posee un sistema a nivel molecular, incluyendo energía cinética y potencial de las moléculas.

Trabajo (W): Energía transferida cuando una fuerza mueve un cuerpo a lo largo de una distancia.

Calor (Q): Energía transferida debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno.

La energía interna U de un sistema puede cambiar de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, que se expresa como:

ΔU = Q – W

Esta ecuación establece que el cambio en la energía interna del sistema es igual a la cantidad de calor añadida al sistema menos el trabajo realizado por el sistema.

Equilibrio termodinámico

Un sistema termodinámico se encuentra en equilibrio cuando sus propiedades macroscópicas no cambian con el tiempo. Existen varias formas de equilibrio dentro de un sistema:

Equilibrio térmico: No existe un flujo neto de calor entre las partes del sistema o entre el sistema y su entorno.

Equilibrio mecánico: No hay variaciones en la presión dentro del sistema o entre el sistema y su entorno.

Equilibrio químico: Las reacciones químicas que ocurren dentro del sistema se encuentran en un estado de balance, sin un cambio neto en las concentraciones de reactivos y productos.

Leyes de la termodinámica

Las leyes de la termodinámica son principios fundamentales que describen cómo la energía se transfiere y transforma en los sistemas termodinámicos. Estas leyes son:

Primera ley de la termodinámica

Como mencionamos anteriormente, la primera ley de la termodinámica reconoce la conservación de la energía, afirmando que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma o se transfiere.

Segunda ley de la termodinámica

La segunda ley establece que, en cualquier proceso espontáneo, la entropía total del universo tiende a aumentar. La entropía (S) es una medida del desorden o la aleatoriedad en un sistema. Esta ley puede expresarse de varias maneras, una de las cuales es el concepto de irreversibilidad de los procesos naturales.

Matemáticamente, la segunda ley puede expresarse como:

ΔS≥0

Esto indica que el cambio en la entropía de un sistema cerrado tiende a ser mayor o igual a cero.

Tercera ley de la termodinámica

La tercera ley establece que al acercarse al cero absoluto (0 K), la entropía de un sistema perfecto de cristales se acerca a un valor mínimo constante. Esta ley tiene implicaciones profundas para el comportamiento de la materia a temperaturas extremadamente bajas.

En términos matemáticos, se puede expresar como:

S→0 cuando T→0

Cero ley de la termodinámica

La cero ley establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Esto permite la definición de la temperatura como una propiedad que determina el equilibrio térmico.

Matemáticamente, si A está en equilibrio térmico con C, y B está en equilibrio térmico con C, entonces A está en equilibrio térmico con B.

Estas cuatro leyes proporcionan un marco coherente para comprender cómo la energía se transfiere y transforma dentro de sistemas físicos y son fundamentales para las ciencias y la ingeniería modernas.