Un sistema termodinámico es una parte del universo físico con un límite específico para la observación. Este límite puede estar definido por paredes reales o imaginarias.
Un sistema contiene lo que se llama un objeto de estudio. Un objeto de estudio es una sustancia con una gran cantidad de moléculas o átomos. Este objeto está formado por un volumen geométrico de dimensiones macroscópicas sometidas a condiciones experimentales controladas.
Un sistema termodinámico puede experimentar transformaciones internas e intercambia energía y/o materia con el entorno externo.
Definición: ¿Qué es un sistema termodinámico?
Un sistema termodinámico se define como una cantidad de materia o una región en el espacio sobre el cual la atención se concentra en el análisis de un problema.
Todo lo que forma parte del exterior del sistema se llama entorno o entorno. El sistema está separado del entorno por el límite del sistema.
El límite puede ser fijo o móvil. Un sistema y sus alrededores juntos.
Clasificación de los sistemas termodinámicos
En termodinámica, los sistemas pueden clasificarse en tres categorías principales según su capacidad para intercambiar materia y energía con el entorno:
Sistema abierto
Un sistema se considera abierto cuando permite el intercambio tanto de materia como de energía con su entorno a través de su frontera. La transferencia de energía puede darse en forma de calor, trabajo u otras manifestaciones energéticas.
Ejemplo: Una piscina llena de agua es un sistema abierto, ya que el agua puede entrar y salir, y la temperatura del agua puede variar debido a factores como la calefacción o la acción del viento, que puede provocar refrigeración por evaporación.
Sistema cerrado
Un sistema cerrado es aquel que permite el intercambio de energía con su entorno a través de su frontera (ya sea en forma de calor, trabajo u otras formas de energía), pero no permite la transferencia de masa.
Ejemplo: Un cilindro con gas sellado por una válvula es un sistema cerrado mientras la válvula permanezca cerrada, ya que puede calentarse o enfriarse sin perder masa. Sin embargo, si la válvula se abre, el gas puede escapar y el sistema pasaría a ser abierto.
Sistema aislado
Un sistema aislado cumple dos condiciones fundamentales:
- No intercambia materia con el entorno.
- No intercambia energía con el entorno.
Ejemplo: El universo es considerado, en términos generales, un sistema aislado, ya que no hay evidencia de intercambio de materia o energía con algo externo a él.
Subdivisiones adicionales de los sistemas termodinámicos
Dado que los sistemas pueden presentar una gran complejidad interna, es posible subdividirlos en subsistemas más pequeños según distintos criterios.
Según su composición interna:
- Sistema termodinámico simple: Está delimitado por un único límite y no contiene subdivisiones internas.
- Sistema termodinámico compuesto: Contiene dentro de su límite uno o más subsistemas separados por fronteras internas.
Según su homogeneidad:
- Sistemas homogéneos: Presentan propiedades macroscópicas uniformes en toda su extensión.
- Sistemas heterogéneos: Exhiben variaciones en sus propiedades macroscópicas en diferentes regiones. Un ejemplo de sistema heterogéneo es un líquido en equilibrio con su vapor.
Características de los sistemas termodinámicos
Los sistemas termodinámicos poseen diversas características que determinan su comportamiento y las leyes que los rigen:
- Fronteras del sistema: Pueden ser reales o imaginarias y determinan los límites del sistema. Estas fronteras pueden ser rígidas o móviles, dependiendo del tipo de sistema.
- Intercambio de materia y energía: Dependiendo del tipo de sistema, puede haber o no transferencia de masa y energía con el entorno. Los sistemas abiertos permiten ambos intercambios, los cerrados solo energía y los aislados ninguno.
- Estados y equilibrio: Un sistema puede describirse mediante variables termodinámicas como temperatura, presión y volumen. Un sistema en equilibrio no experimenta cambios netos en estas variables.
- Procesos termodinámicos: Son las transformaciones que sufre un sistema debido a la interacción con el entorno, como la expansión, compresión y transferencia de calor.
- Leyes de la termodinámica: Los sistemas obedecen principios fundamentales, como la conservación de la energía y la tendencia al equilibrio.