Geofrik's Blog

Esquema animado que muestra la contracción y expansión de un gas en un sistema termodinámico cerrado de paredes móviles, pudiéndose ver los cambios de presión y volumen al mantener la temperatura estable en un cierto valor. Autor: NASA’s Glenn Research Center.

Un sistema termodinámico es una parte del universo que ha sido aislada del resto para su estudio, definiéndose unos límites termodinámicos (también llamados paredes termodinámicas) que establecen dicho aislamiento. Este aislamiento se puede llevar a cabo de una manera real, en el campo experimental (por ejemplo, una máquina térmica), o de una manera ideal (como la máquina de Carnot), cuando se trata de abordar un estudio teórico. Así mismo, se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él.

Paredes termodinámicas:

Las paredes termodinámicas son el concepto abstracto que define los límites o barreras que separan un sistema termodinámico del resto del universo. Este concepto se utiliza para la descripción de las relaciones existentes entre los sistemas termodinámicos y su entorno, definiéndose el contorno termodinámico como un conjunto de paredes termodinámicas cerradas entre sí de forma que, además de delimitar y confinar al sistema, informan sobre los equilibrios que pudiera tener el sistema con el resto del universo.

Estas paredes pueden ser:

• Paredes restrictivas (o ligaduras):
  • Adiabáticas: No permiten el paso de energía térmica.
  • Rígidas: No pueden desplazarse, es decir, no permiten el cambio de volumen del sistema.
  • Impermeables: No permiten el paso de materia.
• Paredes permisivas (o contactos):
  • Diatérmanas: Permiten el paso de energía térmica.
  • Móviles: Pueden desplazarse.
  • Permeables: Permiten el paso de materia.

Clasificación de los sistemas termodinámicos:

Los sistemas termodinámicos se suelen clasificar según el grado de aislamiento que presentan con su entorno. Según este criterio se reconocen tres clases de sistemas:

1. Sistema aislado: Es aquel que no intercambia materia ni energía con su entorno (es decir, que se encuentra en equilibrio termodinámico). Un ejemplo de esta clase podría ser un gas encerrado en un recipiente de paredes rígidas lo suficientemente gruesas como para considerar que los intercambios de energía calorífica sean despreciables y que tampoco puede intercambiar energía en forma de trabajo.
2. Sistema cerrado: Es el que puede intercambiar energía pero no materia con el exterior. Multitud de sistemas se pueden englobar en esta clase, pudiendo considerarse al mismo planeta Tierra como un sistema cerrado. Una lata de sardinas también podría estar incluida en esta clasificación.
3. Sistema abierto: Es aquel que permite el intercambio de materia y de energía con el exterior. En esta clase se incluyen la mayoría de sistemas que pueden observarse en la vida cotidiana, como por ejemplo un vehículo motorizado, ya que intercambia materia con el exterior (cuando es cargado, o su conductor se introduce en su interior para conducirlo, o cuando es provisto de combustible al repostar, o los gases que emite por su tubo de escape, etc) pero, además, intercambia energía con el entorno (el calor que desprende el motor o el trabajo que puede efectuar acarreando carga).

Existen otros criterios para la clasificación de sistemas termodinámicos.

• Según la homogeneidad que puedan presentar:

1. Homogéneo: Es aquel en el que las propiedades macroscópicas de cualquier parte del sistema son iguales en cualquier zona o porción del mismo, es decir, que está constituido por una sola fase. Por ejemplo, una sustancia sólida pura, que se encuentra cristalizada formando un monocristal, o una cierta porción de un líquido (ya sea agua pura o una disolución), o un gas retenido en un recipiente cerrado.
2. Heterogéneo: Aquel sistema que no cumple lo anterior, puesto que está constituido por distintas fases (agua líquida con cubitos de hielo, por ejemplo).

• Según la transferencia de trabajo mecánico a través de sus paredes:
  1. Móvil: Es aquel sistema cuyas paredes permiten transferir energía en forma de trabajo mecánico.
  2. Rígido: Es aquel cuyas paredes no permiten lo anterior.

• Según la transferencia de calor a través de sus paredes:
  1. Diatérmico: Es aquel sistema cuyas paredes permiten transferir energía en forma de calor, pero impiden la transferencia de trabajo mecánico.
  2. Adiabático: Es aquel cuyas paredes no permiten la transferencia de calor.

En termodinámica, los sistemas elegidos para su estudio presentan, usualmente, una especial simplicidad y son, generalmente, aquellos cuyo estado queda perfectamente determinado por un tema de variables de estado. Por ejemplo, el estado de un gas puede ser descrito perfectamente con los valores de la presión que hay en el mismo, la temperatura que presenta y el volumen que ocupa. En esta clase de sistemas, las variables no son absolutamente independientes, ya que existen ligaduras entre ellas que pueden ser descritas mediante ecuaciones de estado.

Figuras:
La siguiente figura es de dominio público porque fue creada por la NASA. Las políticas sobre copyright de la NASA estipulan que «el material de la NASA no está protegido con copyright a menos que se indique lo contrario».
–Colaboradores de Wikipedia (2010). “Boyles Law animated.gif”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]

Referencias:
–Colaboradores de Wikipedia (2013). “Sistema termodinámico”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]
–Colaboradores de Wikipedia (2014). “Termodinámica”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]