Sistema inhomogéneo: qué es, características y ejemplos
¿Qué es un sistema inhomogéneo?
Un sistema inhomogéneo es aquel que a pesar de su aparente homogeneidad, sus propiedades pueden variar en ciertas ubicaciones del espacio. La composición del aire, por ejemplo, aunque sea una mezcla homogénea de gases, cambia de acuerdo a la altitud.
Un sistema se define en general como un conjunto de elementos relacionados entre sí y que funcionan como un todo. También se puede añadir que sus elementos intervienen en forma conjunta para cumplir una función determinada. Este es el caso de los sistemas digestivo, circulatorio, nervioso, endocrino, renal y respiratorio.
No obstante, un sistema puede ser algo tan simple como un vaso con agua (imagen superior). Nótese que al adicionar una gota de tinta esta se descompone en sus colores y se esparce por todo el volumen del agua. Este también es un ejemplo de un sistema inhomogéneo.
Cuando el sistema consiste en un espacio determinado sin límites precisos, como un objeto físico, se habla entonces de sistema material. La materia presenta un conjunto de propiedades como la masa, el volumen, la composición química, la densidad, el color, etc.
Propiedades y estados de un sistema
Las propiedades físicas de la materia se dividen en propiedades extensivas y las propiedades intensivas.
Las propiedades extensivas
Dependen del tamaño de la muestra considerada, por ejemplo, su masa y su volumen.
Las propiedades intensivas
Son aquellas que no varían con el tamaño de la muestra considerada. Entre estas propiedades están la temperatura, la densidad y la concentración.
Estados de la materia
Por otro lado, un sistema también depende de la fase o el estado en que se relacione la materia con dichas propiedades. Así, la materia presenta tres estados físicos: sólido, gaseoso y líquido.
Un material puede presentar uno o más estados físicos; tal es el caso del agua líquida en equilibrio con el hielo, un sólido en suspensión.
Características de los sistemas homogéneo, heterogéneo e inhomogéneo
Sistema homogéneo
El sistema homogéneo se caracteriza por tener la misma composición química e iguales propiedades intensivas en toda su extensión. Presenta una sola fase que puede estar en estado sólido, estado líquido o estado gaseoso.
Los ejemplos del sistema homogéneo son: el agua pura, alcohol, acero y azúcar disuelta en agua. Esta mezcla constituye lo que se denomina una disolución verdadera, caracterizada por tener el soluto un diámetro menor a 10 milimicras, ser estables a la gravedad y a la ultracentrifugación.
Sistema heterogéneo
El sistema heterogéneo presenta distintos valores para algunas de las propiedades intensivas en sitios diferentes del sistema en consideración. Los sitios se encuentran separados por superficies de discontinuidad, que pueden ser estructuras membranosas o superficies de las partículas.
La dispersión grosera de partículas de arcilla en agua constituye un ejemplo de un sistema heterogéneo. Las partículas no se disuelven en el agua y quedan en suspensión mientras se mantenga la agitación del sistema.
Al cesar la agitación, las partículas de arcilla se sedimentan bajo la acción de la gravedad.
Igualmente, la sangre es un ejemplo de un sistema heterogéneo. Está constituida por el plasma y un grupo celular, entre los que se encuentran los eritrocitos, separados del plasma por sus membranas plasmáticas que funcionan como superficies de discontinuidad.
El plasma y el interior de los eritrocitos tienen diferencias en la concentración de determinados elementos, como el sodio, el potasio, el cloro, el bicarbonato, etc.
Sistema inhomogéneo
Se caracteriza por tener diferencias entre algunas de las propiedades intensivas en partes distintas del sistema, pero estas partes no están separadas por superficies de discontinuidad bien definidas.
Superficies de discontinuidad
Estas superficies de discontinuidad pueden ser, por ejemplo, las membranas plasmáticas que separan el interior celular de su entorno o los tejidos que recubren un órgano.
Se dice que en un sistema inhomogéneo las superficies de discontinuidad no son visibles ni utilizando la ultramicroscopía. Los puntos del sistema inhomogéneo están separados fundamentalmente por el aire y soluciones acuosas en los sistemas biológicos.
Entre dos puntos del sistema inhomogéneo puede haber, por ejemplo, una diferencia de concentración de algún elemento o compuesto. También puede ocurrir entre los puntos una diferencia de temperatura.
Difusión de energía o materia
Bajo las circunstancias anteriores, ocurre un flujo pasivo (el cual no requiere gasto de energía) de materia o energía (calor) entre los dos puntos del sistema. Por lo tanto, el calor migrará a las zonas más frías y la materia a las zonas más diluidas. Así, las diferencias de concentración y temperatura disminuyen gracias a esta difusión.
La difusión ocurre por el mecanismo de difusión simple. En este caso, depende fundamentalmente de la existencia de un gradiente de concentración entre dos puntos, la distancia que los separa y la facilidad para atravesar el medio entre los puntos.
Para mantenerse la diferencia de concentración entre los puntos del sistema se requiere de un suministro de energía o de materia, ya que se igualarían las concentraciones en todos los puntos. Por lo tanto, el sistema inhomogéneo se convertiría en un sistema homogéneo.
Inestabilidad
Una característica a resaltar del sistema inhomogéneo es su inestabilidad, por lo que en muchos casos requiere de un suministro de energía para su mantenimiento.
Ejemplos de sistemas inhomogéneos
Una gota de tinta o colorante en agua
Al agregar una gota de colorante en la superficie del agua, inicialmente la concentración del colorante será mayor en la superficie del agua.
Por lo tanto, existe una diferencia en la concentración del colorante entre la superficie del vaso de agua y los puntos subyacentes. Además, no existe una superficie de discontinuidad. Entonces, en conclusión, este es un sistema inhomogéneo.
Posteriormente, debido a la existencia de un gradiente de concentración, el colorante va a difundir hacia el seno del líquido hasta igualarse la concentración del colorante en toda el agua del vaso, reproduciéndose el sistema homogéneo.
Las ondulaciones del agua
Al lanzar una piedra sobre la superficie del agua de un estanque, se produce una perturbación que se propaga en forma de ondas concéntricas desde el sitio de impacto de la piedra.
La piedra, al impactar a un número de partículas de agua, les transmite energía. Por lo tanto, existe una diferencia energética entre las partículas inicialmente en contacto con la piedra y el resto de moléculas de agua en la superficie.
Al no existir una superficie de discontinuidad en este caso, el sistema observado es inhomogéneo. La energía producida por el impacto de la piedra se va propagando en la superficie del agua en forma de onda, alcanzando al resto de las moléculas de agua en la superficie.
Inspiración
La fase de inspiración de la respiración, escuetamente ocurre en la forma siguiente: al contraerse los músculos inspiratorios, especialmente del diafragma, se produce una expansión de la caja torácica. Esto trae como consecuencia una tendencia a aumentar el volumen del alvéolo.
La distensión alveolar produce una disminución de la presión del aire intraalveolar, haciéndola menor que la presión del aire atmosférico. Esto produce un flujo de aire desde la atmósfera a los alvéolos, a través de los conductos aéreos.
Entonces, al inicio de la inspiración existe una diferencia de presión entre las fosas nasales y los alvéolos, además de la no existencia de superficies de discontinuidad entre las estructuras anatómicas mencionadas. Por lo tanto, el sistema presente es inhomogéneo.
Espiración
En la fase de espiración ocurre el fenómeno contrario. La presión intraalveolar se hace mayor que la presión atmosférica y el aire fluye a través de los conductos aéreos, desde los alvéolos hacia la atmósfera, hasta igualarse las presiones al final de la espiración.
Entonces, al comienzo de la espiración hay la existencia de una diferencia de presión entre dos puntos, los alvéolos pulmonares y las fosas nasales. Además, no hay superficies de discontinuidad entre las dos estructuras anatómicas señaladas, por lo que este es un sistema inhomogéneo.
Referencias
- Wikipedia (2018). Sistema material. Tomado de: es.wikipedia.org
- Martín V. Josa G. (2012). Universidad nacional de Córdoba. Recuperado de: 2.famaf.unc.edu.ar
- Clases de química (2008). Fisico-química. Tomado de: clasesdquimica.wordpress.com
- Jiménez Vargas, J. y Macarulla, J. M. Fisicoquímica Fisiológica (1984). Sexta Edición. Editorial Interamericana.
- Ganong, W. F. Review of Medical Physiology (2003). Twenty-First Edition. McGraw-Hill Companies, inc.