Sistema termodinámico
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Un sistema termodinámico es un cuerpo físico (un conjunto de cuerpos) capaz de intercambiar energía y (o) materia con otros cuerpos (entre ellos) [1] ; un sistema físico macroscópico asignado (real o mentalmente) para el estudio , que consta de un gran número de partículas y que no requiere la participación de características microscópicas de partículas individuales para su descripción [2] , "una parte del Universo que seleccionamos para el estudio" [3] . La unidad de medida del número de partículas en un sistema termodinámico suele ser el número de Avogadro [4] (aproximadamente 6·10 23 partículas por mol de una sustancia), lo que da una idea del orden de magnitud en cuestión. No se imponen restricciones sobre la naturaleza de las partículas materiales que forman un sistema termodinámico: pueden ser átomos , moléculas , electrones , iones , fotones , etc. [5] [6] . Cualquier objeto terrestre visible a simple vista o con la ayuda de instrumentos ópticos ( microscopios , catalejos , etc.) puede atribuirse a sistemas termodinámicos: “La termodinámica es el estudio de los sistemas macroscópicos cuyas dimensiones espaciales y tiempo de vida son suficientes para llevar a cabo operaciones normales. procesos de medición” [5] . Convencionalmente, los sistemas macroscópicos incluyen objetos con tamaños de 10 −7 m (100 nm) a 10 12 m [7] .
La condicionalidad del límite inferior está relacionada, entre otras cosas, con el hecho de que para la termodinámica no es importante el tamaño del objeto, sino el número de partículas que lo forman. Un cubo de un gas ideal con un borde de 100 nm contiene alrededor de 27.000 partículas en condiciones normales (ver la constante de Loschmidt ).
El fluido de trabajo [K 1] , cuyo concepto se utiliza en la termodinámica técnica , es un ejemplo de un sistema termodinámico.
Un cuerpo absolutamente sólido desde el punto de vista termodinámico es una sola partícula y por ello, independientemente de su tamaño, no pertenece a los sistemas termodinámicos [9] .
Los sistemas galáctico y metagaláctico no son termodinámicos [10] .
Cualquier parte de un sistema termodinámico se llama subsistema .
Para describir un sistema termodinámico se utilizan parámetros macroscópicos que caracterizan no las propiedades de sus partículas constituyentes, sino las propiedades del propio sistema: temperatura , presión , volumen , inducción magnética , polarización eléctrica , masa y composición química de los componentes , etc. [11] [12] .
Cada sistema termodinámico tiene límites , reales o condicionales, que lo separan del entorno [13] , lo que significa todos los cuerpos que no están incluidos en el sistema termodinámico [14] . A veces, en lugar del ambiente, se habla de un termostato [5] , es decir, un medio con una capacidad calorífica tan grande que su temperatura no cambia durante el intercambio de calor con el sistema en estudio [15] [16] [17] . Por defecto, se asume que el entorno es lo suficientemente grande y por lo tanto sus parámetros no dependen de los procesos que ocurren en el sistema bajo consideración. Además, se suele suponer que el medio ambiente se encuentra en un estado de equilibrio termodinámico y sus características no dependen del tiempo ni de las coordenadas espaciales.
Es importante que la composición del sistema termodinámico incluya todas las partículas presentes en la región del espacio asignado para el estudio. El hecho es que en termodinámica, a veces un sistema físico real se divide mentalmente en subsistemas independientes de objetos con propiedades especiales, y se considera que el mismo volumen está ocupado simultáneamente por dos o más subsistemas parciales virtuales casi independientes (débilmente interactuando entre sí). de partículas de diferente naturaleza (por ejemplo, la mezcla de gases se caracteriza por las presiones parciales de sus gases constituyentes [18] ; los iones y los electrones libres están simultáneamente presentes en el plasma de gas con sus temperaturas parciales significativamente diferentes - iónico y electrónico [19 ] [20] ; los subsistemas de fonones y magnones se distinguen en un cristal ; un subsistema de espines nucleares un paramagneto se caracteriza por su propia temperatura de espín parcial [21] , que puede tomar valores negativos en la escala Kelvin [22] [ 23] [24] ). Esta técnica formal nos permite introducir características parciales para el subsistema de partículas considerado , que no necesariamente están directamente relacionadas con el sistema físico como un todo (ver, por ejemplo, Temperatura absoluta negativa ).
Los sistemas termodinámicos son objeto de estudio en termodinámica , física estadística y física continua .
Clasificación de los sistemas termodinámicos
Según los procesos internos, se distinguen los sistemas [25]
- pasiva , en la que se redistribuye la energía disponible, por ejemplo, térmica, tendiendo a un estado termodinámico de equilibrio;
- activo , en el que un tipo de energía se convierte en otro, por ejemplo, química en térmica, tendiendo a un estado termodinámico de no equilibrio
Por la naturaleza de la interacción con el medio ambiente, los sistemas se distinguen [13] :
- aislado , incapaz de intercambiar energía o materia con el ambiente externo [1] ;
- aislado adiabáticamente , no es capaz de intercambiar materia con el medio exterior, pero permite el intercambio de energía en forma de trabajo [26] [27] [28] [29] . Se excluye el intercambio de energía en forma de calor para tales sistemas [1] [30] [31] [32] ;
- cerrado , incapaz de intercambiar materia con el ambiente externo [1] , pero capaz de intercambiar energía con el ambiente [33] ;
- abierto , capaz de intercambiar materia (y, en consecuencia, energía) con otros sistemas [33] [34] (ambiente externo);
- parcialmente abierto , intercambiando materia con el ambiente externo, pero no todas las sustancias constituyentes participan en el intercambio material (por ejemplo, debido a la presencia de tabiques semipermeables ) [35] .
Según los parámetros de estado utilizados para la descripción termodinámica del sistema , se distinguen: sistemas simples , sistemas abiertos simples y sistemas complejos .
- Un sistema simple ( un cuerpo simple [36] , sistema de deformación térmica [37] ) es un sistema de equilibrio de este tipo, cuyo estado físico está completamente determinado por los valores de dos variables independientes: las funciones de estado de un cuerpo simple , por ejemplo, los valores de temperatura y volumen específico o presión y volumen específico . La expresión de la dependencia de tres características del estado de un cuerpo simple , que son independientes por pares, se denomina ecuación de estado de este cuerpo:




.
Los cuerpos simples son cuerpos isotrópicos (isos - igual, tropos - dirección, en general - la igualdad de las características del estado y las propiedades físicas del cuerpo en todos sus puntos y en todas las direcciones), en particular: gases, vapores, líquidos y muchos sólidos que están en equilibrio termodinámico y no están sujetos a la acción de la tensión superficial, fuerzas gravitatorias y electromagnéticas y transformaciones químicas. Los estudios de cuerpos simples en termodinámica son del mayor interés teórico y práctico.
- Los sistemas abiertos simples se diferencian de los sistemas simples por la capacidad de intercambiar materia con el medio ambiente. Para una descripción termodinámica de tales sistemas con componentes independientes, se necesitan parámetros de estado independientes, incluida la masa ( cantidad de sustancia , número de partículas ) de cada componente independiente [38] ;


- Los sistemas complejos son todos los sistemas termodinámicos que no se incluyen en las definiciones de sistemas simples y sistemas abiertos simples. Los dieléctricos , imanes , superconductores , sólidos elásticos , superficies de separación de fases , sistemas en un campo gravitatorio y en estado de ingravidez , sistemas electroquímicos y radiación térmica en equilibrio se denominan comúnmente sistemas complejos . Algunos autores también incluyen los sistemas abiertos simples como complejos [39] . Para la descripción termodinámica de sistemas tales como una varilla/hilo elástico o un resorte , una superficie de separación de fases, radiación térmica, solo se necesita un parámetro de estado independiente [40] .
Si las sustancias que componen el sistema en el rango considerado de condiciones ( presión , temperatura ) no interactúan químicamente entre sí, entonces el sistema se llama físico . Si las sustancias del sistema reaccionan entre sí, entonces se habla de un sistema químico [41] [42] [43] .
El aislamiento real del sistema termodinámico del medio ambiente se realiza por medio de muros ( interfases , tabiques , cascarones ) [44] : móviles e inamovibles, permeables e impermeables a la materia (también hay tabiques semipermeables ). El recipiente Dewar es un buen ejemplo [45] de un caparazón adiabático ( termoaislante [46] ) . Una partición que no impide la transferencia de calor, es decir, que no es adiabática, se llama diatérmica [47] [48] ( permeable al calor [49] ).
Dado que para los sistemas abiertos la interpretación de los conceptos "trabajo" y "calor" pierde su unicidad [50] , entonces la idea de adiabaticidad pierde su certeza. Para restaurar la certeza y preservar la equivalencia de la idea del aislamiento adiabático que impone una prohibición a la transferencia de calor, y el aislamiento adiabático que permite el intercambio de energía solo en forma de trabajo, para los sistemas abiertos, una tercera forma de transferencia de energía es agregado al calor y al trabajo - la energía de redistribución de las masas de las sustancias que componen el sistema [51] [ 52] [53] [54] , y las propiedades de la capa adiabática se complementan con el requisito de que la capa sea impenetrable para la sustancia [55] [56] [57] [58] [29] [32] . Desafortunadamente, este método de restaurar la unicidad de la interpretación del concepto de "adiabaticidad", que es ampliamente utilizado en la termodinámica técnica , al mismo tiempo hace que el concepto de adiabaticidad sea inútil desde un punto de vista práctico en el caso de sistemas abiertos, por lo que el concepto de "adiabaticidad" no se utiliza
en la termodinámica química de tales sistemas.
Un sistema termodinámico se denomina homogéneo si no existen superficies de separación entre ninguna de sus partes [1] y, por tanto, las propiedades del sistema cambian continuamente de un punto a otro [59] . Un sistema homogéneo con las mismas propiedades en cualquier punto se llama homogéneo [59] [1] . Ejemplos de sistemas homogéneos son las soluciones (gas, líquido y sólido). Una fase gaseosa de gran extensión a lo largo del gradiente del campo gravitacional (por ejemplo, la atmósfera terrestre en un día sin nubes y sin viento) es un ejemplo de una fase homogénea no homogénea (ver fórmula barométrica ).
Un sistema termodinámico se llama heterogéneo si consta de varias partes homogéneas con diferentes propiedades. En superficies que separan partes homogéneas de un sistema heterogéneo, al menos una propiedad termodinámica de una sustancia cambia abruptamente [60] [1] . A menudo (pero no siempre) la interfaz es visible.
La parte homogénea de un sistema heterogéneo se denomina fase [60] . De manera menos estricta, pero más clara, las fases se denominan "partes homogéneas del sistema, separadas de otras partes por interfaces visibles" [12] . Un ejemplo es el sistema de aire húmedo con hielo y agua. Un sistema homogéneo contiene solo una fase; un sistema heterogéneo consta de dos o más fases [61] . El número de fases en un sistema heterogéneo obedece a la regla de las fases de Gibbs . Una misma sustancia en estado sólido de agregación puede tener varias fases ( azufre rómbico y monoclínico , estaño gris y blanco , etc.) [60] .
La figura muestra una de las opciones para clasificar los sistemas termodinámicos.
Véase también
Comentarios
- ↑ El fluido de trabajo en relación con los motores se entiende como una sustancia ( gas , líquido , sólido ), con la ayuda de la cual la energía liberada durante la combustión del combustible orgánico y en las reacciones nucleares del combustible nuclear se convierte en trabajo mecánico útil [8 ] .
Notas
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