Sistema termodinàmic

Un sistema termodinàmic és una part del univers que s'aïlla per al seu estudi.

Este aïllament es pot portar a terme d'una manera real, en el camp experimental, per eixemple una màquina tèrmica, o d'una manera ideal com quan es tracta d'abordar un estudi teòric i pràctic.

De manera més específica, es pot definir un sistema termodinàmic com un cos de matèria i/o radiació, confinat en l'espai per parets en permeabilidades definides que ho separen del seu entorn. L'entorn pot incloure atres sistemes termodinàmics o sistemes físics que no són sistemes termodinàmics.

En ocasions, la paret d'un sistema termodinàmic pot considerar-se imaginària o virtual per a facilitar l'estudi d'una part d'un sistema termodinàmic major. En este cas dita paret es considera "permeable" a tota la matèria, tota la radiació i totes les forces que puguen interactuar en el sistema.

L'estat d'un sistema termodinàmic es pot descriure completament de distintes maneres i totes les descripcions poden ser igualment vàlides. Per a definir l'estat d'un sistema termodinàmic n'hi ha prou en elegir el conjunt de diferents variables d'estat termodinàmic apropiades.

Història

El primer en propondre el concepte de sistema termodinàmic va ser el físic francés Sadi Carnot. En l'any 1824 va publicar les seues reflexions sobre la potència motriu del fòc estudiant lo que ell va cridar la substància de treball en un cos de vapor d'aigua, en les màquines de vapor. El seu treball va consistir en evaluar la capacitat d'este tipo de sistemes per a realisar un treball mecànic quan se li aplica calor. La substància de treball (en est case vapor d'aigua) podia posar-se en contacte en un depòsit o font de calor (una caldera), un depòsit o font freda de calor (una corrent d'aigua freda) o un pistón (sobre el qual el cos de treball podria treballar espentant-ho).

En 1850, el físic alemà Rudolf Clausius va generalisar esta definició per a incloure el concepte d'entorn i va començar a referir-se al sistema com un "cos de treball". En el seu artícul de 1850 sobre la força motriu de la calor, Clausius va escriure:

“En cada canvi de volum (per al cos de treball) una certa cantitat de treball deu ser realisat pel gas o sobre ell ya que per la seua expansió venç una pressió externa, ya que la seua compressió només pot ser provocada per l'eixercici d'una força externa. A este excés de treball realisat pel gas o sobre ell deu correspondre, segons el nostre principi, un excés proporcional de calor consumida o produït, i el gas no pot cedir a el "mig circumdant" la mateixa cantitat de calor que rep".

L'artícul Motor tèrmic de Carnot mostra el diagrama original de pistón i cilindre utilisat per Carnot en discutir el seu motor ideal. A continuació, veem com es modela actualment el motor de Carnot:

Classificació

Els sistemes termodinàmics es classifiquen segons el grau d'aïllament que presenten en el seu entorn.^[1] Aplicant este criteri poden donar-se tres classes de sistemes:

Sistema aïllat: És aquell que no intercanvia ni matèria ni energia^[2] en el seu entorn, és dir, es troba en equilibri termodinàmic en est. Un eixemple d'esta classe podria ser un gas tancat en un recipient de parets rígides lo suficientment grosses (parets adiabàtiques) com per a considerar que els intercanvis d'energia calorífica^[3] siguen despreciables i que tampoc pot intercanviar energia en forma de treball de cap classe.

Sistema tancat: És el que pot intercanviar energia pero no matèria en l'exterior. Multitut de sistemes es poden englobar en esta classe. Una llanda de sardines també podria estar inclosa en esta classificació.^[4]

Sistema obert: En esta classe s'inclouen la majoria de sistemes que poden observar-se en la vida quotidiana. Per eixemple, un vehícul motorisat és un sistema obert, ya que intercanvia matèria en l'exterior quan és carregat, o el seu conductor s'introduïx en el seu interior per a conduir-ho, o és proveït de combustible en repostar-se, o es consideren els gasos que emet pel seu tubo d'escape pero, ademés, intercanvia energia en l'entorn.^[5] Solament cal comprovar la calor que desprén el motor i els seus voltants o el treball que pot efectuar carrejant càrrega.

Existixen atres criteris per a la classificació de sistemes. L'homogeneïtat que puga presentar un sistema és un d'ells. D'esta manera es parla de sistemes:

Homogéneus, si les propietats macroscòpiques de qualsevol part del sistema són iguals en qualsevol part o porció del mateix.^[6] l'estat d'agregació en el que pot presentar-se el sistema pot ser qualsevol. Per eixemple, una substància sòlida, pura, que es troba cristalizada formant un monocristal és un sistema homogéneu, pero també ho pot ser una certa porció d'aigua pura o una dissolució, o un gas retingut en un recipient tancat.

Heterogéneus, quan no ocorre lo anterior, com per eixemple, un líquit en presència del seu vapor^[6]

En Termodinàmica, els sistemes elegits per al seu estudi presenten, usualment, una especial simplicitat. Els sistemes que s'estudien són, generalment, aquells l'estat dels quals queda perfectament determinat per un conjunt de variables d'estat. Per eixemple, l'estat d'un gas pot ser descrit perfectament en els valors de la pressió que hi ha en el mateix, la temperatura que presenta i el volum que ocupa. En esta classe de sistemes, les variables no són absolutament independents, ya que existixen lligam entre elles que poden ser descrites per mig d'equacions d'estat.

Sistemes en equilibri

Per definició, en l'equilibri termodinàmic les propietats d'un sistema no varien en el temps. Els sistemes en equilibri són molt més simples i fàcils d'entendre que els sistemes que no estan en equilibri. En alguns casos, quan s'analisa un procés termodinàmic, es pot supondre que cada estat intermig que es dona en el procés mentres evoluciona entre l'estats inicial i final, està en equilibri. Esta suposició simplifica considerablement l'anàlisis del procés pero no deixa de ser una idealisació de la realitat.

En sistemes aïllats s'observa constantment que, a mida que passa el temps, els reordenamientos interns disminuïxen i s'acosten a condicions estables, les pressions i les temperatures tendixen a igualar-se i la matèria s'ordena en una o vàries fases relativament homogénees.

Un sistema en el que tots els processos susceptibles de canvi pràcticament s'han completat es considera en un estat d'equilibri termodinàmic. Les propietats termodinàmiques d'un sistema en equilibri no canvien en el temps. Els estats d'equilibri del sistema són molt més fàcils de descriure de manera determinista que els estats de no equilibri.

Per a que un procés siga reversible, cada pas del procés deu ser reversible. Per a que un pas en un procés siga reversible, el sistema deu estar en equilibri durant tot el pas. Eixe comportament ideal no es pot conseguir en el món real perque no es pot donar cap pas sense pertorbar l'equilibri del sistema, pero es pot alcançar l'ideal suponent canvis extremadament llents.

Parets termodinàmiques

Per a la descripció de les relacions existents entre els sistemes termodinàmics i el seu entorn, es definix el contorn termodinàmic com un conjunt de parets termodinàmiques tancades entre sí de manera que, ademés de delimitar i confinar al sistema, nos informen sobre els equilibris que poguera tindre el sistema en el restant de l'univers.

Parets restrictives o lligam

Adiabàtiques: No permeten el pas d'energia tèrmica (calor).
Rígides: No poden desplaçar-se, és dir, no permeten el canvi de volum del sistema.
Impermeables: No permeten el pas de matèria.

Parets permissives o contactes

Diatérmicas: Permeten el pas d'energia tèrmica.
Mòvils: Poden desplaçar-se.
Permeables: Permeten el pas de matèria.

Vore també

Notes

↑ Es considera entorn aquella part de l'Univers que no és el sistema. Teòricament, eixe entorn és el restant de l'Univers, pero a nivell pràctic es restringix als voltants del sistema.
↑ Un sistema té múltiples maneres d'intercanviar energia en el mig. Una d'elles pot ser per mig d'una transferència neta de calor, encara que també es poden considerar intercanvis de tipo mecànic, en el que es tenen en conte les deformacions del contorn a on es troba confinat el sistema.
↑ És important entendre la diferència entre energia tèrmica i calor. La calor és una <<energia en trànsit>>, concretament la transferència d'energia que es dona entre dos cossos que estan en contacte directe, o casi, i que es troben a distintes temperatures. Comunament, es parla de <<fluix net de calor>> de l'objecte calent a la fredor. A pesar de que el terme de calor en sí mateixa implica transeferencia d'energia, per costum s'utilisen les expressions <<calor absorbida>> o <<calor lliberada>> per a descriure els canvis energètics que ocorren durant un procés.
↑ Com pot comprovar-se no existixen restriccions sobre el tamany del sistema. El sistema pot ser inclusivament el propi Univers.
↑ Morraja, Martín Llorens; Barreres, {{{nom2}}}; Miranda, {{{nom3}}} (2009-03). Ingenieria tèrmica (en és), Marcombo. ISBN 8426715311.
↑ ^6,0 ^6,1 SÁNCHEZ, JOSÉ ANTONIO FIDALGO; PÉREZ, MANUEL FERNÁNDEZ; FERNÁNDEZ, FERNÁNDEZ NOEMÍ (2016). Tecnologia Industrial II (en és), Edicions Paraninfo, S.A.. ISBN 9788428333085.

Referències

Termodinàmica Química. Juan A. Rodríguez Renuncie, Juan J. Ruiz Sánchez, José S. Urieta Navarro, Editorial Síntesis

Equations o State in Engineering and Reserch. Chao, K. C., Robinson, R. L. (editors), ACS 182. American Chemical Society, Washington, 1.979

Thermodynamics. Lewis, G. N. i Randall, Editorial McGraw Hill, 1.961

Química, Raymond Chang, Quarta edició, Editorial McGraw Hill 1.994
Vídeo explicatiu sobre els distints tipos de Sistemes Termodinàmics

Referències

Este artícul conté una traducció derivada de «Sistema termodinámico» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[1] Es considera entorn aquella part de l'Univers que no és el sistema. Teòricament, eixe entorn és el restant de l'Univers, pero a nivell pràctic es restringix als voltants del sistema.

[2] Un sistema té múltiples maneres d'intercanviar energia en el mig. Una d'elles pot ser per mig d'una transferència neta de calor, encara que també es poden considerar intercanvis de tipo mecànic, en el que es tenen en conte les deformacions del contorn a on es troba confinat el sistema.

[3] És important entendre la diferència entre energia tèrmica i calor. La calor és una <<energia en trànsit>>, concretament la transferència d'energia que es dona entre dos cossos que estan en contacte directe, o casi, i que es troben a distintes temperatures. Comunament, es parla de <<fluix net de calor>> de l'objecte calent a la fredor. A pesar de que el terme de calor en sí mateixa implica transeferencia d'energia, per costum s'utilisen les expressions <<calor absorbida>> o <<calor lliberada>> per a descriure els canvis energètics que ocorren durant un procés.

[4] Com pot comprovar-se no existixen restriccions sobre el tamany del sistema. El sistema pot ser inclusivament el propi Univers.

[5] Morraja, Martín Llorens; Barreres, {{{nom2}}}; Miranda, {{{nom3}}} (2009-03). Ingenieria tèrmica (en és), Marcombo. ISBN 8426715311.

[:0-6] 6,0 ^6,1 SÁNCHEZ, JOSÉ ANTONIO FIDALGO; PÉREZ, MANUEL FERNÁNDEZ; FERNÁNDEZ, FERNÁNDEZ NOEMÍ (2016). Tecnologia Industrial II (en és), Edicions Paraninfo, S.A.. ISBN 9788428333085.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]