En termodinámica , un estado termodinámico de un sistema es su condición en un momento específico; es decir, completamente identificado por los valores de un conjunto adecuado de parámetros conocidos como variables de estado , parámetros de estado o variables termodinámicas. Una vez que se ha especificado dicho conjunto de valores de variables termodinámicas para un sistema, los valores de todas las propiedades termodinámicas del sistema se determinan de forma única. Por lo general, por defecto, se considera que un estado termodinámico es uno de equilibrio termodinámico . Esto significa que el estado no es simplemente la condición del sistema en un momento específico, sino que la condición es la misma, inmutable, durante un período de tiempo indefinidamente largo.
Cuando un sistema pasa de un estado a otro, se dice que recorre un camino. El camino se puede describir en función de cómo cambian las propiedades, como los caminos isotérmicos (temperatura constante) o isobáricos (presión constante).
La termodinámica establece una estructura conceptual idealizada que puede resumirse en un esquema formal de definiciones y postulados. Los estados termodinámicos se encuentran entre los objetos o nociones fundamentales o primitivos del esquema, para los cuales su existencia es primaria y definitiva, en lugar de derivarse o construirse a partir de otros conceptos. [1] [2] [3]
Un sistema termodinámico no es simplemente un sistema físico . [4] Más bien, en general, un sistema termodinámico dado está compuesto por una infinidad de sistemas físicos alternativos diferentes, porque en general un sistema físico tiene muchas más características microscópicas que las que se mencionan en una descripción termodinámica. Un sistema termodinámico es un objeto macroscópico , cuyos detalles microscópicos no se consideran explícitamente en su descripción termodinámica. El número de variables de estado necesarias para especificar el estado termodinámico depende del sistema y no siempre se conoce antes del experimento; normalmente se encuentra a partir de evidencia experimental. El número es siempre dos o más; normalmente no es más de una docena. Aunque el número de variables de estado se fija mediante el experimento, sigue existiendo la posibilidad de elegir cuál de ellas utilizar para una descripción conveniente particular; un sistema termodinámico dado puede identificarse alternativamente mediante varias elecciones diferentes del conjunto de variables de estado. La elección se realiza normalmente sobre la base de las paredes y los alrededores que son relevantes para los procesos termodinámicos que se van a considerar para el sistema. Por ejemplo, si se pretende considerar la transferencia de calor para el sistema, entonces una pared del sistema debe ser permeable al calor, y esa pared debe conectar el sistema a un cuerpo, en los alrededores, que tenga una temperatura definida invariable en el tiempo. [5] [6]
Para la termodinámica de equilibrio, en un estado termodinámico de un sistema, sus contenidos están en equilibrio termodinámico interno, con flujos cero de todas las cantidades, tanto internas como entre el sistema y el entorno. Para Planck, la característica principal de un estado termodinámico de un sistema que consta de una sola fase , en ausencia de un campo de fuerza impuesto externamente, es la homogeneidad espacial. [7] Para la termodinámica de no equilibrio , un conjunto adecuado de variables de estado de identificación incluye algunas variables macroscópicas, por ejemplo, un gradiente espacial de temperatura distinto de cero, que indican una desviación del equilibrio termodinámico. Tales variables de estado de identificación de no equilibrio indican que puede estar ocurriendo algún flujo distinto de cero dentro del sistema o entre el sistema y el entorno. [8]
Un sistema termodinámico se puede identificar o describir de varias maneras. De manera más directa, se puede identificar mediante un conjunto adecuado de variables de estado. De manera menos directa, se puede describir mediante un conjunto adecuado de cantidades que incluya variables de estado y funciones de estado.
La identificación primaria u original del estado termodinámico de un cuerpo de materia se realiza mediante magnitudes físicas ordinarias directamente mensurables. Para algunos propósitos simples, para un cuerpo dado de constitución química dada, un conjunto suficiente de tales magnitudes es "volumen y presión".
Además de las variables físicas ordinarias directamente mensurables que identifican originalmente un estado termodinámico de un sistema, el sistema se caracteriza por otras cantidades llamadas funciones de estado , que también se denominan variables de estado, variables termodinámicas, cantidades de estado o funciones de estado. Están determinadas de forma única por el estado termodinámico tal como ha sido identificado por las variables de estado originales. Hay muchas de estas funciones de estado. Algunos ejemplos son la energía interna , la entalpía , la energía libre de Helmholtz , la energía libre de Gibbs , la temperatura termodinámica y la entropía . Para un cuerpo dado, de una constitución química dada, cuando su estado termodinámico ha sido completamente definido por su presión y volumen, entonces su temperatura está determinada de forma única. La temperatura termodinámica es un concepto específicamente termodinámico, mientras que las variables de estado originales directamente mensurables se definen mediante mediciones físicas ordinarias, sin referencia a conceptos termodinámicos; por esta razón, es útil considerar la temperatura termodinámica como una función de estado.
El paso de un estado termodinámico inicial dado a un estado termodinámico final dado de un sistema termodinámico se conoce como proceso termodinámico; por lo general, se trata de una transferencia de materia o energía entre el sistema y el entorno. En cualquier proceso termodinámico, cualesquiera que sean las condiciones intermedias durante el paso, el cambio respectivo total en el valor de cada variable de estado termodinámico depende solo de los estados inicial y final. Para un proceso continuo o cuasiestático idealizado, esto significa que los cambios incrementales infinitesimales en dichas variables son diferenciales exactas . En conjunto, los cambios incrementales a lo largo del proceso y los estados inicial y final determinan completamente el proceso idealizado.
En el ejemplo más común, un gas ideal , las variables termodinámicas serían tres variables cualesquiera de las cuatro siguientes: cantidad de sustancia , presión , temperatura y volumen . Por lo tanto, el estado termodinámico se extendería sobre un espacio de estados tridimensional. La variable restante, así como otras cantidades como la energía interna y la entropía , se expresarían como funciones de estado de estas tres variables. Las funciones de estado satisfacen ciertas restricciones universales, expresadas en las leyes de la termodinámica , y dependen de las peculiaridades de los materiales que componen el sistema concreto.
Se han desarrollado varios diagramas termodinámicos para modelar las transiciones entre estados termodinámicos.
Los sistemas físicos que se encuentran en la naturaleza son prácticamente siempre dinámicos y complejos, pero en muchos casos, los sistemas físicos macroscópicos se prestan a una descripción basada en la proximidad a condiciones ideales. Una de esas condiciones ideales es la de un estado de equilibrio estable. Este estado es un objeto primitivo de la termodinámica clásica o de equilibrio, en la que se denomina estado termodinámico. Basándose en muchas observaciones, la termodinámica postula que todos los sistemas que están aislados del entorno externo evolucionarán de manera que se acerquen a estados de equilibrio estables únicos. Hay varios tipos diferentes de equilibrio, que corresponden a diferentes variables físicas, y un sistema alcanza el equilibrio termodinámico cuando se satisfacen simultáneamente las condiciones de todos los tipos de equilibrio relevantes. A continuación se enumeran algunos tipos diferentes de equilibrio.