Equilibrio termodinámico: clases y aplicaciones
El equilibrio termodinámico de un sistema aislado se define como un estado de balance en el cual las variables que lo caracterizan y que se pueden medir o calcular no experimentan cambios, dado que por su condición de aislamiento no existen fuerzas externas que tiendan a modificar ese estado.
Tanto los sistemas como las clases de equilibrio a considerar son muy diversos. Un sistema puede ser una célula, una bebida helada, un avión lleno de pasajeros, una persona o una maquinaria, por mencionar tan solo unos pocos ejemplos. También pueden ser aislados, cerrados o abiertos, dependiendo de si pueden o no intercambiar energía y materia con su entorno.
Un sistema aislado no interacciona con el entorno, nada entra ni sale de él. Un sistema cerrado puede intercambiar energía pero no materia con el ambiente que lo rodea. Finalmente, el sistema abierto está libre de realizar intercambios con el entorno.
Pues bien, un sistema aislado al que se deja evolucionar el tiempo suficiente, tiende de forma espontánea al equilibrio termodinámico en el cual sus variables conservarán indefinidamente su valor. Y cuando se trate de un sistema abierto, sus valores deberán ser los mismos que los del entorno.
Esto se logrará siempre que se satisfagan todas las condiciones del equilibrio impuestas por cada tipo en particular.
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Una clase de equilibrio fundamental es el equilibrio térmico, que se hace presente en muchas situaciones cotidianas, tal como una taza de café caliente y la cucharilla con la que se revuelve el azúcar.
Tal sistema tiende espontáneamente a adquirir la misma temperatura pasado un cierto tiempo, tras el cual llega el equilibrio al estar todas las partes a la misma temperatura.
Mientras eso sucede, existe una diferencia de temperaturas que impulsa el intercambio de calor en todo el sistema. Cada sistema tiene un tiempo para lograr el equilibrio térmico y llegar a la misma temperatura en todos sus puntos, llamado tiempo de relajación.
Cuando la presión en todos los puntos de un sistema es constante, está en equilibrio mecánico.
El equilibrio químico, llamado también a veces equilibrio material, se alcanza cuando la composición química de un sistema permanece inalterable en el tiempo.
En general, un sistema se considera en equilibrio termodinámico cuando se encuentra en equilibrio térmico y mecánico simultáneamente.
Las variables que se estudian para analizar el equilibrio termodinámico de un sistema son diversas, siendo las más comúnmente usadas la presión, el volumen, la masa y la temperatura. Otras variables incluyen la posición, la velocidad y otras cuya selección depende del sistema bajo estudio.
Así, como indicar las coordenadas de un punto hace posible conocer su ubicación exacta, conocer las variables termodinámicas determina inequívocamente el estado de un sistema. Una vez que el sistema se encuentra en equilibrio, estas variables satisfacen una relación que se conoce como ecuación de estado.
La ecuación de estado es una función de las variables termodinámicas cuya forma en general es:
f( P,V,T) = 0
Donde P es la presión, V es el volumen y T es la temperatura. Naturalmente la ecuación de estado pudiera expresarse en términos de otras variables, pero como se ha dicho antes, estas son las variables más usadas para caracterizar sistemas termodinámicos.
Una de las ecuaciones de estado más conocida es la de los gases ideales PV = nRT. Aquí n es el número de moles, de átomos o de moléculas y R es la constante de Boltzmann: 1.30 x 10-23 J/K (Joule/Kelvin).
Supongamos que se tienen dos sistemas termodinámicos A y B con un termómetro que llamaremos T, el cual se pone en contacto con el sistema A el tiempo suficiente como para que A y T lleguen a tener la misma temperatura. En tal caso se puede asegurar que A y T están en equilibrio térmico.
A continuación se repite el mismo procedimiento con el sistema B y T. Si la temperatura de B resulta ser la misma que la de A, entonces A y B se encuentran en equilibrio térmico. Este resultado se conoce como ley cero o principio cero de la Termodinámica, el cual se enuncia formalmente así:
Si dos sistemas A y B se encuentran en equilibrio térmico cada uno de manera independiente con un tercer sistema T, entonces es posible afirmar que A y B se encuentran en equilibrio térmico entre sí.
Y a partir de este principio se concluye lo siguiente:
Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando todas sus partes están a la misma temperatura.
Por ello dos cuerpos en contacto térmico que no estén a la misma temperatura no pueden considerarse en equilibrio termodinámico.
Lo que impulsa a un sistema a lograr el equilibrio térmico es la entropía, una magnitud que indica que tan cercano está el sistema al equilibrio, siendo indicativo de su estado de desorden. A mayor desorden, más entropía hay, ocurriendo justo lo contrario si un sistema es muy ordenado, bajando en este caso la entropía.
El estado de equilibrio térmico es precisamente el estado de máxima entropía, lo cual significa que un sistema aislado cualquiera se dirige hacia un estado de mayor desorden de manera espontánea.
Ahora bien, la transferencia de la energía térmica en el sistema se rige por el cambio en su entropía. Sea S la entropía y denotemos con la letra griega “delta” el cambio en la misma: ΔS. El cambio que lleva al sistema de un estado inicial a otro final se define como:
Esta ecuación es válida únicamente para procesos reversibles. Proceso en el cual el sistema puede retornar íntegramente a sus condiciones iniciales y en cada punto del camino está en equilibrio termodinámico.
– En la transferencia de calor desde un cuerpo más caliente a otro más frío, la entropía va en aumento hasta que la temperatura de ambos sea la misma, tras lo cual su valor permanece constante si el sistema se encuentra aislado.
– Otro ejemplo de entropía en aumento es la disolución de cloruro de sodio en agua, hasta llegar al equilibrio en cuanto la sal se haya disuelto por completo.
– En un sólido que se funde la entropía también es creciente, ya que las moléculas están pasando de una situación más ordenada, que es un sólido, a otra más desordenada como líquido.
– En algunos tipos de decaimiento radiactivo espontáneo, el número de partículas resultante aumenta y con ello la entropía del sistema. En otros decaimientos en los que ocurre aniquilación de partículas, hay transformación de masa a energía cinética que eventualmente disipa calor, e igualmente aumenta la entropía.
Tales ejemplos ponen de manifiesto el hecho de que el equilibrio termodinámico es relativo: un sistema puede estar en equilibrio termodinámico localmente, por ejemplo si se considera el sistema taza de café + cucharilla.
Sin embargo, el sistema taza de café + cucharilla + entorno pudiera no estar en equilibrio térmico hasta que el café se haya enfriado completamente.
- Bauer, W. 2011. Física para Ingeniería y Ciencias. Volumen 1. Mc Graw Hill. 650-672.
- Cengel, Y. 2012. Termodinámica. 7ma Edición. McGraw Hill. 15- 25 y 332-334.
- Termodinámica. Recobrado de: ugr.es.
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