Introducción a la Termodinamica.pdf - C.I.E.

Conceptos Fundamentales 17
hay flujo de energía lo mas probable es que convenga definir al sistema como cerrado, porque de esa manera
el modelo matemático que lo describe resulta mas sencillo. En efecto, si el sistema se define como
abierto se necesita un modelo integrado por dos ecuaciones de balance: una de balance de masa y otra de
balance de energía. En cambio si el sistema se define como cerrado descubrimos que la ecuación de balance
de masa desaparece y sólo queda la ecuación de balance de energía. Ahora, esto no significa que en
todos los problemas que involucran sistemas abiertos se necesiten ambas ecuaciones. Puede haber casos
en los que se use solo una. Pero igualmente la ecuación de balance de energía de un sistema abierto es
mas complicada. Por eso en general conviene definir el sistema como cerrado. Esta regla tiene pocas excepciones.
En el caso de que no haya flujo de energía entre el fluido y el medio ambiente la elección entre sistema cerrado
o abierto no es tan clara. Habrá que analizar detenidamente el problema para determinar cual es la
mejor elección. La única manera segura de hacer una elección claramente superior es plantear el modelo
en cada opción (abierto y cerrado) y tratar de analizar el sistema mediante ambos modelos. En la mayoría
de los casos se obtiene una estructura mas fácil de manejar con uno de los dos. Si uno se quiere evitar el
trabajo de plantear los dos modelos no queda otro camino que confiar en la experiencia y la intuición para
tomar una decisión.
1.3 Parámetros o propiedades y estado de un sistema
El estado de un sistema es su condición tal como queda descrita por medio de variables que se pueden
medir o calcular: volumen, presión, densidad, entalpía, composición, temperatura, etc. Estas variables se
denominan propiedades o parámetros de estado del sistema. Propiedades son cosas que el sistema “tiene”
como por ejemplo la temperatura, el contenido de energía, etc. El trabajo y el calor no son propiedades porque
son cosas que se “hacen” sobre el sistema (produciendo un cambio en sus propiedades) y no cosas
que “tiene” el sistema. Son un modo de expresar flujo o transferencia de energía.
Hay muchas propiedades que se pueden considerar propiedades de estado. Muchas son función de otras,
es decir, hay propiedades independientes y propiedades dependientes. La cantidad de propiedades dependientes
es muy grande. En cambio, se puede identificar una cantidad muy reducida de propiedades independientes,
de las que se pueden obtener las demás. La cuestión central es determinar cuales son las propiedades independientes,
y qué cantidad mínima de propiedades hay que fijar para definir exactamente un sistema.
Este problema ha preocupado a muchos especialistas en termodinámica hasta que finalmente fue resuelto
por dos teóricos llamados Kline y Koenig en 1957, quienes dedujeron lo que se conoce como postulado de
estado. Nosotros daremos una forma del postulado de estado algo distinta a la que se suele encontrar en la
bibliografía, pero totalmente equivalente.
El postulado de estado
La menor cantidad de propiedades independientes (propiedades de estado) que definen un estado de equilibrio
en un sistema es igual a la cantidad de formas diferentes en que el sistema puede intercambiar energía
con el medio ambiente más uno.
Esta forma de enunciar el postulado de estado resulta mas fácil de comprender que la que usaron Kline y
Koenig, que era bastante abstracta. Ellos lo enunciaron así: “El estado estable de un sistema con restricciones
está completamente identificado cuando se conoce su energía”. Como vemos, no resulta tan fácil de
entender como la que proponemos aquí.
Veamos como funciona el postulado de estado. Supongamos que tenemos un sistema simple, por ejemplo
un gas contenido en un pistón que se puede expandir o comprimir intercambiando energía en forma de trabajo
mecánico con el medio ambiente. Supongamos además que el pistón y el cilindro son permeables al
flujo de energía como calor. Entonces, para este sistema simple la cantidad mínima de propiedades que definen
su estado es tres porque existen dos maneras distintas que tiene el sistema para intercambiar energía
con el medio ambiente: como trabajo mecánico y como calor. En otras palabras, la cantidad mínima de propiedades
que definen el estado del sistema es tres. Aunque se puede usar mayor cantidad, no es posible
definir el estado del sistema usando menos de tres propiedades cualesquiera.
Si en el caso del sistema simple que acabamos de describir el pistón fuese adiabático (es decir, el sistema
no puede intercambiar calor con el medio pero sí trabajo mecánico) tenemos que la cantidad de propiedades
de estado es dos. Por ejemplo, presión y volumen, o presión y temperatura, o volumen y temperatura.
En el caso de un sistema adiabático en general que puede intercambiar trabajo de cualquier naturaleza con
el medio la cantidad de propiedades que definen el estado del sistema es siempre dos, cuya índole depende
del tipo de trabajo intercambiado. Por ejemplo si el sistema intercambia trabajo eléctrico con el medio,
las propiedades de estado pueden ser la diferencia de potencial y la intensidad de corriente.
Este tipo de sistemas que sólo es capaz de intercambiar una cantidad limitada de formas de energía con el
medio ambiente se llama sistema simple. Por ejemplo el sistema formado por un gas en un pistón es un sistema
simple compresible.
Introducción a la Termodinámica – Jorge A. Rodriguez