5.1 Sistemas termodinámicos y variables termodinámicas

Actividad

Se llama sistema termodinámico a la región del Universo separada del resto (el entorno) por una superficie cerrada, real o imaginaria, a través de la que se relaciona mediante intercambios de materia o energía.

Así pues, el Universo está formado a efectos termodinámicos por el sistema y su entorno.

Imagen jepeca bajo licencia CC

La superficie que separa el sistema y su entorno suele denominarse pared, y en función de sus características, los sistemas termodinámicos pueden clasificarse en distintos tipos, según permitan o no el paso de algún tipo de energía o materia:

Sistemas
abiertos	cerrados	aislados

Permiten el intercambio tanto de materia como de energía con el entorno	Permiten el intercambio de energía con el entorno, pero no el de materia	No permiten el intercambio ni de materia ni de energía con el entorno
Imágenes de elaboración propia

AV - Pregunta de Elección Múltiple

Pregunta

Imagen de jepeca.CC

Una lata de refresco sin abrir es un ejemplo de sistema termodinámico, pero ¿de qué tipo es?

Sugerencia

Ten en cuenta que el tipo de sistema depende de la forma de intercambiar energía con el entorno

Respuestas

Opción 1

Abierto.

Opción 2

Cerrado.

Opción 3

Aislado.

Retroalimentación

¡INCORRECTO! Una lata sin abrir no permite el intercambio de materia con el exterior, por lo tanto no puede ser un sistema abierto

¡CORRECTO! Efectivamente, se trata de un sistema cerrado pues no intercambia materia con el exterior, pero sí energía (la lata se enfría cuando la introduces en el frigorífico y se calienta al ponerla al sol).

¡INCORRECTO! La lata se enfría cuando la introduces en el frigorífico y se calienta al ponerla al sol, por lo tanto intercambia energía con el entorno y no puede tratarse de un sistema aislado.

Los sistemas termodinámicos serán descritos empleando las llamadas variables termodinámicas.

En el caso de un gas, estas variables son:

masa (m): con ella medimos la cantidad de materia de un sistema. Su unidad en el SI es el kg.

volumen (V): con esta magnitud sabemos el espacio que ocupa el sistema. Su unidad en el SI es el m³, aunque es frecuente el uso del litro (L). La relación entre ambas unidades es 1m³ = 1000 L

presión (P): es la fuerza aplicada por unidad de superficie ( $P=\frac{F}{S}$ ) . Su unidad en el SI es el Pascal (siendo 1 Pa = 1 N·m). Es muy usual la atmósfera (atm). La relación entre ambas unidades es 1 atm $\cong$ 10⁵ Pa

temperatura (T): ya sabes que su unidad es el ºC.

Estas variables podrán ser extensivas o intensivas.

Caso práctico

¿Es la temperatura una variable intensiva o extensiva? ¿y la presión?

Importante

Las variables de estado se relacionan entre sí a través de una ecuación de estado, de forma que si conocemos con exactitud el valor de varias de ellas, quedan determinadas el resto.

Especial relevancia tienen los sistemas gaseosos, así que si conozco el volumen de un recipiente donde hay una cantidad conocida de un gas, a una temperatura determinada, podré saber la presión a la que se encuentra este.

La ecuación de los gases ideales es:

$P\cdot V=n\cdot R\cdot T$

siendo P la presión en atm; V el volumen en L; n la cantidad de sustancia (mol); T la temperatura en Kelvin y R es la constante universal de los gases, que toma el valor R = 0,082 atm·L/K·mol