2.4: El estado del sistema
- Page ID
- 77776
El estado termodinámico del sistema es un concepto importante y sutil. En cada instante de tiempo, el sistema se encuentra en algún estado definido que podemos describir con valores de las propiedades macroscópicas que consideramos relevantes para nuestros propósitos. Los valores de estas propiedades en un instante dado definen el estado en ese instante. Siempre que cambia el valor de alguna de estas propiedades, el estado ha cambiado. Si posteriormente encontramos que cada una de las propiedades relevantes tiene el valor que tenía en un determinado instante anterior, entonces el sistema ha vuelto a su estado anterior.
No confundir el estado del sistema con el tipo de estado físico o estado de agregación de una fase discutida en la Sec. 2.2.1. Un cambio de estado se refiere a un cambio en el estado del sistema, no necesariamente a una transición de fase.
2.4.1 Funciones estatales y variables independientes
Las propiedades cuyos valores en cada instante dependen únicamente del estado del sistema en ese instante, y no de la historia pasada o futura del sistema, se denominan funciones de estado (o variables de estado o parámetros de estado). Puede haber otras propiedades del sistema que consideramos irrelevantes para el estado, como la forma del sistema, y estas no son funciones de estado.
Diversas condiciones determinan qué estados de un sistema son físicamente posibles. Si una fase uniforme tiene una ecuación de estado, los valores de propiedad deben ser consistentes con esta ecuación. El sistema puede tener ciertas condiciones o restricciones incorporadas o impuestas externamente que imposibilitan que algunas propiedades cambien con el tiempo. Por ejemplo, un sistema cerrado tiene masa constante; un sistema con un límite rígido tiene volumen constante. Podemos conocer otras condiciones que afectan a las propiedades durante el tiempo en que el sistema está bajo observación.
Podemos definir el estado del sistema con los valores de un cierto número mínimo de funciones de estado que tratamos como variables independientes. Una vez que hemos seleccionado un conjunto de variables independientes, consistentes con la naturaleza física del sistema y cualquier condición o restricción, podemos tratar todas las demás funciones de estado como variables dependientes cuyos valores dependen de las variables independientes.
Siempre que ajustamos las variables independientes a valores particulares, cada otra función de estado es una variable dependiente que puede tener solo un valor definido y reproducible. Por ejemplo, en un sistema monofásico de una sustancia pura con\(T\)\(p\), y\(n\) como las variables independientes, el volumen está determinado por una ecuación de estado en términos de\(T\)\(p\), y\(n\); la masa es igual a\(nM\); el volumen molar viene dado por\(V\m = V/n\); y la densidad viene dada por\(\rho = nM/V\).
2.4.2 Un ejemplo: funciones de estado de una mezcla
La varilla metálica conductora del calor mostrada en la figura 2.8 es un sistema en tal estado estacionario. Cada extremo de la varilla está en contacto térmico con un depósito de calor (o reservorio térmico), que es un cuerpo o sistema externo cuya temperatura permanece constante y uniforme cuando hay transferencia de calor hacia o desde él.
Un depósito de calor puede ser un cuerpo tan grande que su temperatura cambia solo imperceptiblemente durante la transferencia de calor; un baño de termostato cuya temperatura puede controlarse; o un sistema externo de fases coexistentes de una sustancia pura (por ejemplo, hielo y agua) a presión constante.
Los dos depósitos de calor en la figura tienen diferentes temperaturas, lo que provoca que se forme un gradiente de temperatura a lo largo de la longitud de la varilla y que la energía sea transferida por calor desde el depósito más cálido a la varilla y desde la varilla al depósito más frío. Aunque las propiedades del estado estacionario de la varilla permanecen constantes, la varilla claramente no se encuentra en un estado de equilibrio porque el gradiente de temperatura desaparecerá rápidamente cuando aislemos la varilla retirándola del contacto con los depósitos de calor.