Sistema termodinámico

Un sistema termodinámico se puede definir como un conjunto de materia, o cualquier región en masa que se elija para su estudio. Se puede dibujar un diagrama como se muestra en la figura de abajo. El sistema abarca la región de estudio, la región fuera del sistema se denomina comúnmente como alrededor, entorno o ambiente. La superficie, ya sea real o imaginaria que separa al sistema de los alrededores se denomina pared o frontera con el cual se puede realizar un intercambio de energía, de materia o de ambas. El sistema, la pared y el entorno se denominan en conjunto “Universo”.

Algunos ejemplos de sistemas pueden ser, por ejemplo, un motor de combustión interna, una bomba de agua, una planta de vapor, una turbina y otros ejemplos más.

El motor de combustión interna transforma la energía química del combustible en trabajo (movimiento), también produce calor.

Propiedades de un sistema termodinámico

Los sistemas pueden tener intercambio de materia y energía (calor y trabajo) desde ellos hacia el medio exterior e inversamente. Un sistema aislado es aquel en el que no existe intercambio con los alrededores de materia o de energía, por lo cual, el sistema se encuentra térmicamente aislado, por lo que el flujo de calor es nulo y tampoco puede realizar o recibir trabajo.
En cambio, un sistema cerrado es aquel en el cual sí existe intercambio de energía, ya sea en forma de calor o trabajo, pero que no puede intercambiar materia con los alrededores.
Un sistema abierto es aquel en el cual existe intercambio de materia y energía con los alrededores.
Las paredes de un sistema pueden ser móviles cuando existe un cambio en su volumen, o fijas cuando no existe cambio de volumen. También existen las paredes diatérmicas que permiten el flujo de calor y adiabáticas cuando no existe tal flujo. Existen paredes permeables, las cuales permiten el intercambio de materia con los alrededores y las impermeables, que no permiten el intercambio (Burbano, 2003).
Un ejemplo biológico podría ser la célula, y la pared podría ser la membrana, este sistema es un sistema abierto, ya que puede intercambiar materia y energía con los alrededores. También los seres vivos pueden considerarse como sistemas abiertos. Inclusive el planeta tierra es un sistema que intercambia energía, ya que recibe energía proveniente del Sol, y a su vez irradia energía hacia el espacio exterior en forma de radiación infrarroja. Es importante indicar que el sistema puede definirse de la manera que mejor convenga dependiendo de qué parte se quiere estudiar para observar la transferencia de materia y energía.

Se puede afirmar que el calor es una forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura (Burbano, 2003).
En termodinámica se usa la letra q para denominar el calor del sistema. Si el calor se transfiere del sistema a los alrededores se le asigna un signo negativo, -q, y si se transfiere de los alrededores al sistema se le asigna un signo positivo, +q.

La ley cero de la termodinámica establece que “Dos cuerpos separados que están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, también están en equilibrio térmico entre sí” (Rolle, 2008).

Tipos de trabajo
Existen diferentes tipos de trabajo, por ejemplo, el trabajo mecánico, W, es el que se realiza al aplicar una fuerza, F, sobre un cuerpo de masa, m, y moverlo una distancia, d.
De esta manera, es posible calcular la cantidad de trabajo como:

El trabajo tiene unidades de Joules, por lo que se puede afirmar que junto con el calor, constituye una de las dos formas principales de energía (Burbano, 2003).
Además del trabajo mecánico existen otros tipos de trabajo, por ejemplo, el trabajo eléctrico, en el cual, la fuerza es la electromotriz, E, y el desplazamiento es la transferencia de carga, Δq (Wenworth, 1975).
El trabajo químico está asociado con la modificación del número de moles ni de la especie química i, que se puede expresar como:
En donde la fuerza, μ_i, se denomina potencial químico, y n_i, es el número de moles de la especie química i.
Por lo anterior se puede afirmar que el trabajo y el calor no son formas de energía, sino modos de intercambiarla (Instituto Superior de Formación del Profesorado, 2003).

Expansión y compresión de un gas ideal

La expansión de un gas dentro de un pistón contra una presión exterior es un importante ejemplo de trabajo mecánico. Del mismo modo, la compresión de un gas dentro de un pistón por efecto de la presión exterior también es un ejemplo de trabajo mecánico, aunque de una magnitud de signo opuesto, positivo, debido a que los alrededores ejercen un trabajo sobre el gas, al contrario del ejemplo anterior en el que el gas ejerce un trabajo sobre los alrededores, signo negativo (Wentworth, 1975).
Las ecuaciones que se utilizan para representar el trabajo negativo y positivo son respectivamente:
W=-pΔV (Expansión)
W=+pΔV (Compresión)

En donde W es el trabajo, p, es la presión externa al cilindro, ΔV el cambio de volumen.