En termodinámica, el estudio de las propiedades de un sistema permite comprender cómo interactúan la energía, el trabajo y el calor dentro de ese sistema.
Una propiedad termodinámica es cualquier característica de un sistema que puede medirse o calcularse y que describe su estado. Las propiedades permiten comprender cómo un sistema puede experimentar cambios de energía, trabajo y calor durante un proceso. Estas propiedades se dividen en dos tipos principales: propiedades intensivas, que no dependen de la cantidad de materia, y propiedades extensivas, que sí dependen de la cantidad de materia en el sistema.
Propiedades termodinámicas intensivas
Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de materia presente en el sistema. Esto significa que, si se divide un sistema en partes más pequeñas, el valor de una propiedad intensiva sigue siendo el mismo en cada parte. Las propiedades intensivas describen la naturaleza intrínseca de una sustancia o un sistema, sin tener en cuenta el tamaño o la cantidad de material.
Un ejemplo clásico para ilustrar esto es la temperatura. Si tienes un litro de agua a 25 °C y lo divides en dos recipientes de medio litro, la temperatura seguirá siendo 25 °C en ambos recipientes. De manera similar, otras propiedades intensivas, como la presión, la densidad y el volumen específico, no se ven afectadas por el tamaño del sistema.
Ejemplos de propiedades intensivas
- Densidad: La densidad es la relación entre la masa de una sustancia y el volumen que ocupa. Su fórmula es:
Densidad=Masa / Volumen
No importa si se trata de una pequeña muestra o de un gran volumen de sustancia, la densidad permanece constante, siempre que la temperatura y la presión no cambien. - Volumen específico: El volumen específico es el volumen que ocupa una unidad de masa de una sustancia. Es el inverso de la densidad:
Volumen especíico=1 / Densidad
Es otra propiedad intensiva, ya que no depende de la cantidad total de sustancia presente, sino de cómo se distribuye el volumen en relación con la masa. - Presión: La presión es la fuerza que un sistema ejerce por unidad de área sobre sus límites. Por ejemplo, en un gas confinado, la presión no cambia al dividir el volumen, siempre que las condiciones de temperatura y cantidad de gas no se alteren.
- Temperatura: La temperatura es una medida del estado térmico de una sustancia y está relacionada con la energía cinética promedio de las partículas en el sistema. Es una propiedad intensiva porque su valor es independiente del tamaño o de la cantidad de sustancia.
- Composición: La composición química de una sustancia, como su concentración o la proporción de componentes en una mezcla, es otra propiedad intensiva. Por ejemplo, la salinidad de una solución salina sigue siendo la misma sin importar cuánta cantidad de solución haya.
Importancia de las propiedades intensivas
Las propiedades intensivas juegan un papel crucial en la identificación y caracterización de materiales y sistemas, ya que son independientes del tamaño o de la cantidad de materia.
Esto es especialmente útil en procesos industriales y científicos, donde se puede analizar una pequeña muestra de material para obtener información aplicable a una cantidad mayor.
Propiedades termodinámicas extensivas
Las propiedades extensivas, por el contrario, dependen directamente de la cantidad de materia presente en el sistema.
Si un sistema se divide en dos partes, el valor de una propiedad extensiva también se divide entre esas dos partes. Por ejemplo, el volumen de un sistema es una propiedad extensiva: si tienes un volumen de 1 m³ y lo divides en dos partes iguales, cada parte tendrá un volumen de 0,5 m³.
Las propiedades extensivas se suman en un sistema compuesto por subsistemas. Por ejemplo, si tienes dos subsistemas con masas diferentes, la masa total del sistema será la suma de las masas de los subsistemas.
Ejemplos de propiedades extensivas
- Masa: La masa es una medida de la cantidad de materia en un sistema. Claramente, depende del tamaño del sistema. Si divides un sistema en partes, la masa de cada parte será proporcional al tamaño de la parte.
- Volumen: El volumen es el espacio que ocupa una sustancia. Al igual que la masa, es una propiedad extensiva porque el volumen de un sistema es la suma del volumen de todas sus partes.
- Energía Interna: La energía interna es la suma de todas las energías microscópicas en un sistema, incluidas las energías cinéticas y potenciales de las moléculas que lo componen. Es una propiedad extensiva, ya que depende de la cantidad total de materia en el sistema.
- Entalpía: La entalpía es una medida de la energía total de un sistema, incluyendo la energía interna y la energía necesaria para desplazar su entorno a presión constante. Es extensiva porque depende de la cantidad de materia en el sistema.
- Entropía: La entropía es una medida del desorden o la cantidad de energía que no se puede convertir en trabajo en un sistema. Es una propiedad extensiva porque, a mayor cantidad de materia, mayor es el desorden y la entropía total del sistema.
Relación entre propiedades extensivas e intensivas
Una propiedad extensiva se puede convertir en una propiedad intensiva cuando se expresa en términos de una unidad de masa, de volumen o de moles. Por ejemplo:
- Densidad: Se obtiene al dividir la masa (extensiva) por el volumen (extensiva), lo que da como resultado una propiedad intensiva.
- Volumen específico: Se obtiene al dividir el volumen (extensiva) por la masa (extensiva), lo que genera una propiedad intensiva.
Este tipo de transformación es útil para normalizar propiedades y hacer comparaciones entre sistemas de diferentes tamaños.
Relación entre propiedades y ecuaciones de estado
Las relaciones entre las propiedades termodinámicas de un sistema están determinadas por las ecuaciones de estado.
Una ecuación de estado es una relación matemática que conecta varias propiedades intensivas y extensivas de un sistema, permitiendo predecir el comportamiento del sistema bajo diferentes condiciones.
La ecuación de estado más comúnmente conocida es la ecuación de los gases ideales, que relaciona la presión (P), el volumen (V) y la temperatura (T) de un gas ideal con la cantidad de sustancia (n) mediante la constante de los gases ideales (R):
P·V=n·R·T
En sistemas más complejos, como los líquidos y los sólidos, se necesitan ecuaciones de estado más elaboradas para relacionar las propiedades termodinámicas.
Variables termodinámicas
Las variables termodinámicas son magnitudes físicas que describen el estado de un sistema en equilibrio.
Al igual que las propiedades, las variables termodinámicas pueden ser intensivas o extensivas. Además, también se denominan funciones de estado, ya que dependen únicamente del estado actual del sistema y no de cómo se alcanzó ese estado.
Funciones de estado
Las funciones de estado son aquellas magnitudes cuyo valor depende exclusivamente del estado actual del sistema, sin importar el camino seguido para llegar a dicho estado. Esto significa que no importa cómo se haya llegado a una cierta temperatura o presión, lo importante es el valor final de la variable, no los pasos intermedios.
Ejemplos de funciones de estado incluyen la energía interna, la entalpía y la entropía. Estas funciones son esenciales para realizar análisis energéticos y de eficiencia en sistemas termodinámicos.