Conceptos Esenciales de Termodinámica: Sistemas, Variables y Transformaciones Energéticas

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Sistema Termodinámico

Un sistema termodinámico es la parte del universo objeto de estudio. Puede ser una célula, una persona, el vapor de una máquina de vapor, entre otros.

Puede estar separado del resto del universo (denominado alrededores del sistema) por paredes reales o imaginarias. Las paredes que separan un sistema de sus alrededores pueden ser aislantes (llamadas paredes adiabáticas) o permitir el flujo de calor (diatérmicas).

Tipos de Sistemas Termodinámicos

Los sistemas termodinámicos pueden clasificarse en:

• Sistema Aislado: Es aquel que no intercambia ni materia ni energía con los alrededores.
• Sistema Cerrado: Es aquel que intercambia energía (calor y trabajo) pero no materia con los alrededores. Su masa permanece constante.
• Sistema Abierto: Es aquel que intercambia energía y materia con los alrededores.

Equilibrio Termodinámico

El equilibrio termodinámico se alcanza cuando un sistema aislado, al que se le permite evolucionar durante un tiempo, sus variables termodinámicas no varían. Por lo tanto, la temperatura es la misma en todos sus puntos, lo que indica que el sistema está en equilibrio termodinámico.

Variables Termodinámicas

Las variables termodinámicas son propiedades que describen el estado de un sistema. Las principales son:

• Masa: Medida en kilogramos (kg).
• Volumen: Medido en metros cúbicos (m³).
• Presión: Medida en pascales (Pa).
• Temperatura: Medida en Kelvin (K) y grados Celsius (°C).

Máquina Térmica

Una máquina térmica es un dispositivo cuyo propósito es convertir el calor en trabajo. Utiliza una sustancia de trabajo, como el vapor de agua, que realiza una serie de transformaciones termodinámicas de forma cíclica para que la máquina pueda funcionar de manera continua. En su operación, intervienen un foco caliente y un foco frío.

Energía Interna

La energía interna es la energía total almacenada por un sistema de partículas. Es el resultado de la contribución de la energía cinética y potencial de las moléculas o átomos que lo constituyen. Cuando la temperatura es el cero absoluto (0 K), la energía interna es mínima o nula (dependiendo de la definición y el sistema).

Transformaciones Termodinámicas Fundamentales

Transformación Isoterma

En una transformación isoterma, la temperatura del sistema permanece constante. Para que esto ocurra, es necesario que el sistema se encuentre en contacto con un foco térmico, definido como una sustancia capaz de absorber o ceder calor sin modificar su propia temperatura. En este tipo de transformación, el calor absorbido se transforma completamente en trabajo, ya que la variación de energía interna es nula (ΔU = 0).

Transformación Isócora

En una transformación isócora, el volumen del sistema permanece constante. Al suministrarle calor, el gas aumenta de temperatura y presión, ya que se trata de calor absorbido. El trabajo realizado es cero (W = 0) debido a que no hay variación de volumen.

Transformación Isobara

Una transformación isobara es aquella en la que la presión del sistema permanece constante. Durante esta transformación, un gas absorbe calor y se expande, controlando la presión para que se mantenga en equilibrio con el exterior y permanezca constante.

Parte del calor absorbido se transforma en trabajo realizado por el gas, y el resto se invierte en aumentar la energía interna del sistema.