5: Procesos termodinámicos

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Estaremos considerando lo que sucede cuando realizamos ciertos procesos en diversos sistemas. Los procesos generalmente implicarán ya sea hacer trabajo en un sistema o agregarle calor, o tal vez permitiremos que el sistema haga trabajos en su entorno, o el sistema puede perder calor a su entorno.

Muchas veces el sistema que tenemos en mente será un gas encerrado por un pistón móvil dentro de un cilindro, pero no tiene por qué ser eso. El sistema puede ser un sólido o un líquido, en el que hay poco cambio en el volumen. O el sistema puede tener varias fases, como gas, líquido y sólido. Puede haber varios componentes en el sistema, por ejemplo, una mezcla de productos químicos. O el sistema puede ser un material magnético, y nosotros sí trabajamos en él colocándolo en un campo magnético y magnetizándolo. Algunas leyes termodinámicas fundamentales se aplican a cualquier sistema termodinámico y son de gran generalidad. Otras leyes pueden aplicarse solo a ciertos tipos específicos de sistemas, y siempre debemos estar en guardia para reconocer cuáles son leyes generales aplicables a cualquier sistema, y cuáles son ecuaciones especiales aplicables solo a sistemas particulares.

Nosotros, en nuestra imaginación, llevaremos a cabo procesos bajo diversas condiciones ideales. Así, podemos imaginar un proceso para ser isotérmico (llevado a cabo a temperatura constante) o isobárico (presión constante) o isocórico (volumen constante). Podemos imaginar un proceso en el que no se agrega calor ni se pierde del sistema. Tal proceso es adiabático.

Un proceso puede ser cuasistático o no cuasistático. Imaginemos que tenemos una caja de gas, y de repente calentamos una pared de la caja empujando esa pared contra una fuente de calor. No todo el gas se calentará de inmediato. Al principio, el gas cercano a la pared calentada comenzará a calentarse, mientras que el gas del otro extremo de la caja apenas estará al tanto de lo que ha sucedido. Eventualmente, el calor penetrará por toda la caja, pero esto puede llevar algún tiempo, y el sistema no está en absoluto en equilibrio estático mientras se están produciendo estos cambios. De igual manera, si tenemos un gas retenido dentro de un cilindro por medio de un pistón móvil, y de repente movemos el pistón hacia adentro. Esto no dará como resultado un cambio inmediato a una presión más alta en todo el gas. A lo sumo la información sobre la nueva posición del pistón puede viajar a través del gas solo a la velocidad del sonido. Es probable que se provoquen considerables turbulencias locales, y pasará algún tiempo antes de que el gas se asiente a su nueva presión uniforme en todo momento. Ambos procesos son no cuasistáticos.

Para que un proceso sea cuasistático, la presión y temperatura del sistema deben diferir de las de su entorno en solo una cantidad infinitesimal en todo momento durante el proceso; el proceso debe realizarse lentamente, de manera que el sistema pase por una sucesión infinita de cuasi-equilibrio estados. El prefijo “cuasi” suele traducirse como “casi”; un significado más preciso es “por así decirlo” o “como si fuera”. El lector concluirá que nunca puede haber literalmente ningún proceso que sea verdaderamente estático. Esto también es cierto para otros procesos, como los procesos isotérmicos y adiabáticos. Tales procesos son procesos teóricos limitantes. Un proceso real puede ser intermedio entre los extremos ideales, aunque también puede estar bastante cerca de uno de los extremos ideales.