2.1: Sistema, Propiedad, Estado y Proceso

Para dar un ejemplo concreto para las discusiones a seguir, consideremos el siguiente problema:

Figura\(\PageIndex{1}\): Problema — Una niña está jugando con un globo rojo. De pronto la cuerda alrededor del cuello del globo se desata y el aire comienza a precipitarse desde el globo. ¿Cuál es el camino del globo?

Para aplicar el concepto contable para modelar el globo y predecir su movimiento, primero debemos responder tres preguntas:

• ¿Qué propiedad (o propiedades) queremos contar?
• ¿Cuál es el sistema que queremos examinar?
• ¿Cuál es el periodo de tiempo de interés?

Estas tres preguntas deben ser respondidas cada vez que aplicamos el concepto contable. Pero antes de que podamos responder a las preguntas, necesitamos introducir algunos términos y conceptos.

Como punto de partida para nuestra discusión, comenzaremos a desarrollar un vocabulario para describir el comportamiento de los sistemas físicos. Estas palabras suenan familiares, pero asegúrate de entender las definiciones que aquí se dan para estos términos.

2.1.1 Sistema

El concepto contable sólo puede aplicarse a un sistema. Entonces, ¿qué es un sistema? Un sistema es cualquier región en el espacio o cantidad de materia que se reserva para su análisis. En el problema del globo, existen al menos cuatro sistemas posibles:

• Sistema A - la masa de aire originalmente dentro del globo cuando la cuerda se desata,
• Sistema B - el volumen contenido dentro del globo,
• Sistema C - el globo (solo la membrana de goma), y
• Sistema D - el globo (Sistema C) más el volumen contenido dentro del balón (Sistema B).

Observe que el Sistema D es realmente un sistema compuesto formado al combinar el Sistema B y el Sistema C. Es decir, el Sistema B y el Sistema C son subsistemas del Sistema D.

Una vez que hayas definido tu sistema, también has definido el entorno. Los alrededores son todo lo que está fuera de su sistema. El sistema y sus alrededores están separados por el límite del sistema. En algunos textos, el límite del sistema también se llama superficie de control. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra un boceto de un sistema genérico con el límite del sistema indicado como una línea discontinua. Esta es una práctica común en sistemas de bocetos.

Figura\(\PageIndex{2}\): Un simple boceto del sistema.

Las superficies de control pueden coincidir con un límite físico real en el problema, o pueden ser superficies imaginarias en el espacio. Imagina tu habitación como un sistema. Si trata la abertura de la puerta como una superficie de control, la superficie puede ser real si coincide con una puerta sólida cerrada; sin embargo, si la puerta está abierta, entonces podría describir la superficie como imaginaria.

Cada sistema puede clasificarse como abierto o cerrado. Un sistema cerrado es un sistema con una cantidad fija de masa, y a menudo se llama masa de control. Un sistema abierto es un sistema con un volumen especificado y frecuentemente se denomina volumen de control. La masa de un sistema cerrado no puede cambiar; sin embargo, otras propiedades extensas incluyendo su volumen pueden cambiar. Tanto la masa como el volumen de un sistema abierto pueden cambiar.

Volvamos al problema del globo y clasifiquemos los cuatro sistemas que identificamos anteriormente:

• Sistema A - el aire originalmente dentro del globo cuando la cuerda se desata.
  
  Se trata de un sistema cerrado porque hemos identificado la masa como el sistema. Para visualizar mejor cómo se comportará este sistema a medida que pasa el tiempo imagina que todo el aire inicialmente en el globo se tiñe de verde. Entonces imagina cómo se ve este aire mientras el globo se acerca y deja un rastro de aire “verde”. El límite del sistema (o superficie de control) sería la interfaz nítida entre el aire manchado y el aire no manchado.
  
• Sistema B - el volumen contenido dentro del globo.
  
  Este es un sistema abierto porque hemos identificado una región de volumen como el sistema. En este sistema, el límite del sistema consiste en la superficie interna de la membrana del balón y la superficie imaginaria que cubre la abertura en el cuello del globo. El aire que sale corriendo del globo sale de este sistema y el volumen de control se encogerá en tamaño a medida que el globo se desinfla. Si bien hemos definido el sistema en términos de volumen, la masa de aire contenida en el volumen también está en el sistema y a medida que el globo se desinfla la cantidad de masa en este sistema disminuye.
  
• Sistema C - el globo (solo la membrana de goma).
  
  Este también es un sistema cerrado. ¿Por qué no es un sistema abierto? ¿Cambia la masa del sistema? ¿Cambia el volumen del sistema?
  
• Sistema D - el globo más el volumen contenido dentro del globo.
  
  El límite de este sistema consiste en la superficie exterior del globo y una superficie imaginaria que cubre la abertura en el cuello del globo.

Ejemplo — Pon a prueba tu comprensión de los sistemas

Para poner a prueba tu comprensión trata de responder las siguientes preguntas sobre el Sistema D:

• ¿El Sistema D es un sistema abierto o cerrado? ¿Por qué?
• ¿Su masa cambia? ¿Su volumen cambia?
• ¿En qué se diferencia el límite del sistema del Sistema D del Sistema B?
• Para comprender mejor las distinciones entre sistemas, resketch el globo e identificar (dibujar) los cuatro sistemas a continuación. Utilice líneas discontinuas para indicar las superficies de control.

Por lo general, un sistema interactúa con su entorno de varias maneras. Nos referiremos a cualquier intercambio (o comunicación) entre un sistema y su entorno como una interacción. Las interacciones ocurren a través del límite de un sistema y se representan como flechas en la Figura\(\PageIndex{2}\). Las interacciones que pueden ocurrir dependen tanto del sistema que haya seleccionado como de la descripción física del problema. Sin interacciones, el comportamiento del sistema sería bastante aburrido. Gran parte de nuestro esfuerzo este trimestre estará dirigido a aprender a hacer suposiciones de modelado que capten las características importantes de las interacciones en un problema.

Ponte a prueba

Usando una línea discontinua, dibuje un sistema que encierre la bombilla y corte el cable eléctrico.

Figura\(\PageIndex{3}\): Croquis de una bombilla

a) ¿Se trata de un sistema abierto o cerrado?

b) Enumerar todas las interacciones que ocurren entre este sistema y sus alrededores.

Hay un tipo muy especial de sistema que no tiene interacciones con su entorno. A esto lo llamamos un sistema aislado. Es físicamente imposible construir un sistema que esté completamente aislado de su entorno; sin embargo, a menudo es una aproximación (suposición) útil para fines de modelado. Si asumes que un sistema está aislado, está asumiendo que NO tiene interacciones de ningún tipo con el entorno. Esta es una suposición muy poderosa y pone una severa restricción al comportamiento de un sistema.

2.1.2 Propiedad

Cada sistema tiene muchas características que podríamos usar para describirlo. Nos interesan específicamente características que puedan medirse observando el sistema o que puedan calcularse directamente a partir de estas observaciones. A estas se les llama propiedades. Una propiedad es cualquier característica de un sistema a la que se le puede asignar un valor numérico en un momento determinado sin considerar la historia del sistema.

Ahora considera el aire dentro de nuestro globo justo antes de que empiece a hacer zoom. ¿Cuántas propiedades diferentes del sistema podrías enumerar? Después de pensarlo un poco, tu lista podría verse así:

temperatura presión velocidad densidad

energía cinética energía potencial masa volumen

Todas estas son propiedades del aire en el sistema. Ahora examina las dos listas. ¿Qué hay de diferente en las dos listas? ¿Alguna idea?

Ponte a prueba

¿Cuáles son las tres características clave de un inmueble?

1)

2)

3)

Resulta que la lista de las propiedades de la izquierda son todas propiedades intensivas y las propiedades de la derecha son propiedades extensas. Una propiedad intensiva es independiente de la extensión del sistema y tiene un valor en un punto. Por el contrario, una propiedad extensa depende de la extensión del sistema y no puede evaluarse en un momento determinado. Algunas propiedades intensivas tienen una contraparte extensa; estas se denominan propiedades específicas.

De nuevo considera el aire en el globo. La masa del aire en el globo se puede considerar como la suma de todas las masas individuales dentro del globo. La temperatura por otro lado no se puede pensar de la misma manera. Las propiedades extensas son aditivas, pero las propiedades intensivas no lo son.

2.1.3 Estado

El estado de un sistema es una descripción completa del sistema en términos de sus propiedades. Cuando intentamos describir la condición de un dispositivo físico, en realidad estamos tratando de especificar su estado.

Estrictamente hablando, el estado de un sistema sólo puede conocerse cuando se conocen todas sus propiedades. Por suerte, encontraremos que bajo muchas condiciones solo se deben conocer unas pocas propiedades para especificar el estado lo suficiente para nuestro análisis. Además, aprenderemos que muchas propiedades están relacionadas entre sí. Por ejemplo, la presión, temperatura y densidad de un gas en condiciones de habitación están relacionadas por algo llamado el modelo de gas ideal, y solo necesita especificar dos de estas propiedades para fijar de manera única el valor de la tercera propiedad.

2.1.4 Proceso

Como un sistema interactúa con su entorno sus propiedades pueden cambiar, y cuando lo hacen, decimos que ha cambiado de estado o ha sufrido un proceso. Sin procesos, nuestro estudio de los sistemas de ingeniería sería bastante simple, nada cambia. Durante el trimestre examinaremos muchos procesos diferentes y cómo cambian los sistemas.

Hay dos procesos que merecen especial atención porque son muy comunes en la naturaleza: un proceso cíclico y un proceso de estado estacionario. Un ciclo es una secuencia de procesos que, combinados, comienzan y terminan en el mismo estado. La operación de muchos sistemas de ingeniería importantes a menudo se puede modelar como un ciclo periódico. Ejemplos de este tipo de sistema incluyen el refrigerador de tu casa y el motor de tu auto.

Un proceso de estado estacionario es un proceso en el que las propiedades intensivas de un sistema y sus interacciones son independientes del tiempo. Muchos dispositivos reales se pueden modelar usando la suposición de estado estacionario. En lugar de hablar de un proceso de estado estacionario, a menudo hablaremos de un sistema de estado estable. Tomaremos estas dos expresiones —proceso de estado estacionario y sistema de estado estacionario— como sinónimos. Esta es una suposición muy poderosa, y en su caso la usaremos para eliminar el tiempo como variable de nuestro análisis.

2.1.5 Propiedades y Procesos — Una Prueba

Recordemos que definimos una propiedad como cualquier característica de un sistema al que se le pueda asignar un valor numérico sin conocer la historia del sistema. Otra forma de decir esto es que el valor de una propiedad sólo depende del estado del sistema. Si un sistema se somete a un proceso entre dos estados finales especificados, el cambio en cualquier propiedad del sistema es únicamente una función de los estados finales y es independiente de la historia del sistema.

Este resultado nos proporciona una prueba útil para determinar si algo es una propiedad o no:

Si el cambio en el valor de una característica del sistema entre dos estados finales es independiente del proceso, entonces la característica es una propiedad.

Las propiedades a veces se denominan funciones de punto o estado debido a esta dependencia funcional del estado del sistema.

Veremos más adelante que hay muchas cantidades físicas que no son propiedades porque su valor depende de conocer el camino del proceso. Una clase importante de estos son las interacciones del sistema. Aprenderemos a llamar a estas funciones de ruta de cantidades.