Estado termodinámico

En termodinámica, un estado termodinámico de un sistema es su condición en un momento específico; es decir, completamente identificado por los valores de un conjunto adecuado de parámetros conocidos como variables de estado, parámetros de estado o variables termodinámicas. Una vez que se ha especificado un conjunto de valores de variables termodinámicas para un sistema, los valores de todas las propiedades termodinámicas del sistema se determinan de manera única. Por lo general, por defecto, un estado termodinámico se toma como uno de equilibrio termodinámico. Esto significa que el estado no es simplemente la condición del sistema en un momento específico, sino que la condición es la misma, invariable, durante un período de tiempo indefinidamente largo.

La termodinámica establece una estructura conceptual idealizada que puede resumirse en un esquema formal de definiciones y postulados. Los estados termodinámicos se encuentran entre los objetos o nociones fundamentales o primitivos del esquema, para los cuales su existencia es primaria y definitiva, en lugar de derivarse o construirse a partir de otros conceptos.

Un sistema termodinámico no es simplemente un sistema físico.Más bien, en general, infinitos sistemas físicos alternativos diferentes comprenden un sistema termodinámico dado, porque en general un sistema físico tiene muchas más características microscópicas que las que se mencionan en una descripción termodinámica. Un sistema termodinámico es un objeto macroscópico, cuyos detalles microscópicos no se consideran explícitamente en su descripción termodinámica. El número de variables de estado requeridas para especificar el estado termodinámico depende del sistema y no siempre se conoce antes del experimento; generalmente se encuentra a partir de evidencia experimental. El número es siempre dos o más; por lo general no es más de una docena. Aunque el número de variables de estado se fija mediante experimentos, queda la opción de cuál de ellas usar para una descripción conveniente en particular; un sistema termodinámico dado puede identificarse alternativamente mediante varias opciones diferentes del conjunto de variables de estado. La elección generalmente se realiza sobre la base de las paredes y los alrededores que son relevantes para los procesos termodinámicos que se van a considerar para el sistema. Por ejemplo, si se pretende considerar la transferencia de calor para el sistema, entonces una pared del sistema debe ser permeable al calor, y esa pared debe conectar el sistema a un cuerpo, en los alrededores, que tiene una temperatura definida invariable en el tiempo..

Para la termodinámica de equilibrio, en un estado termodinámico de un sistema, su contenido está en equilibrio termodinámico interno, con flujos cero de todas las cantidades, tanto internas como entre el sistema y el entorno. Para Planck, la característica principal de un estado termodinámico de un sistema que consta de una sola fase, en ausencia de un campo de fuerza impuesto desde el exterior, es la homogeneidad espacial. Para la termodinámica de no equilibrio, un conjunto adecuado de variables de estado de identificación incluye algunas variables macroscópicas, por ejemplo, un gradiente espacial de temperatura distinto de cero, que indican una desviación del equilibrio termodinámico. Tales variables de estado de identificación de no equilibrio indican que puede estar ocurriendo algún flujo distinto de cero dentro del sistema o entre el sistema y los alrededores.

Variables de estado y funciones de estado

Un sistema termodinámico se puede identificar o describir de varias maneras. Más directamente, se puede identificar mediante un conjunto adecuado de variables de estado. Menos directamente, se puede describir mediante un conjunto adecuado de cantidades que incluye variables de estado y funciones de estado.

La identificación primaria u original del estado termodinámico de un cuerpo de materia es por cantidades físicas ordinarias directamente medibles. Para algunos propósitos simples, para un cuerpo dado de constitución química dada, un conjunto suficiente de tales cantidades es 'volumen y presión'.

Además de las variables físicas ordinarias directamente medibles que identifican originalmente un estado termodinámico de un sistema, el sistema se caracteriza por cantidades adicionales llamadas funciones de estado., que también se denominan variables de estado, variables termodinámicas, cantidades de estado o funciones de estado. Están determinados únicamente por el estado termodinámico tal como ha sido identificado por las variables de estado originales. Hay muchas funciones estatales de este tipo. Algunos ejemplos son la energía interna, la entalpía, la energía libre de Helmholtz, la energía libre de Gibbs, la temperatura termodinámica y la entropía. Para un cuerpo dado, de una constitución química dada, cuando su estado termodinámico ha sido completamente definido por su presión y volumen, entonces su temperatura está determinada de manera única. La temperatura termodinámica es un concepto específicamente termodinámico, mientras que las variables de estado originales directamente medibles se definen mediante mediciones físicas ordinarias, sin referencia a conceptos termodinámicos; por esta razón, es útil considerar la temperatura termodinámica como una función de estado.

El paso de un estado termodinámico inicial dado a un estado termodinámico final dado de un sistema termodinámico se conoce como proceso termodinámico; por lo general, se trata de una transferencia de materia o energía entre el sistema y el entorno. En cualquier proceso termodinámico, cualesquiera que sean las condiciones intermedias durante el paso, el cambio total respectivo en el valor de cada variable de estado termodinámico depende únicamente de los estados inicial y final. Para un proceso idealizado continuo o cuasiestático, esto significa que los cambios incrementales infinitesimales en tales variables son diferenciales exactos. Juntos, los cambios incrementales a lo largo del proceso y los estados inicial y final, determinan completamente el proceso idealizado.

En el ejemplo simple más comúnmente citado, un gas ideal, las variables termodinámicas serían tres variables de las siguientes cuatro: cantidad de sustancia, presión, temperatura y volumen. Por lo tanto, el estado termodinámico variaría en un espacio de estado tridimensional. La variable restante, así como otras cantidades como la energía interna y la entropía, se expresarían como funciones de estado de estas tres variables. Las funciones de estado satisfacen ciertas restricciones universales, expresadas en las leyes de la termodinámica, y dependen de las peculiaridades de los materiales que componen el sistema concreto.

Se han desarrollado varios diagramas termodinámicos para modelar las transiciones entre estados termodinámicos.

Estado de equilibrio

Los sistemas físicos que se encuentran en la naturaleza son prácticamente siempre dinámicos y complejos, pero en muchos casos, los sistemas físicos macroscópicos son susceptibles de descripción en función de la proximidad a las condiciones ideales. Una de esas condiciones ideales es la de un estado de equilibrio estable. Tal estado es un objeto primitivo de la termodinámica clásica o de equilibrio, en la que se denomina estado termodinámico. Con base en muchas observaciones, la termodinámica postula que todos los sistemas que están aislados del entorno externo evolucionarán para acercarse a estados de equilibrio estables únicos. Hay varios tipos diferentes de equilibrio, correspondientes a diferentes variables físicas, y un sistema alcanza el equilibrio termodinámico cuando se satisfacen simultáneamente las condiciones de todos los tipos relevantes de equilibrio. A continuación se enumeran algunos tipos diferentes de equilibrio.

• Equilibrio térmico: cuando la temperatura en todo un sistema es uniforme, el sistema está en equilibrio térmico.
• Equilibrio mecánico: si en cada punto dentro de un sistema dado no hay cambio de presión con el tiempo y no hay movimiento de material, el sistema está en equilibrio mecánico.
• Equilibrio de fase: esto ocurre cuando la masa de cada fase individual alcanza un valor que no cambia con el tiempo.
• Equilibrio químico: En el equilibrio químico, la composición química de un sistema se ha asentado y no cambia con el tiempo.