En termodinámica , un estado termodinámico de un sistema es su condición en un momento específico; es decir, completamente identificados por 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. Habitualmente, 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 cambia de un estado a otro, se dice que recorre un camino. El camino se puede describir por cómo cambian las propiedades, como caminos isotérmicos (temperatura constante) o isobáricos (presión constante).
La termodinámica establece una estructura conceptual idealizada que puede resumirse mediante 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, una infinidad de sistemas físicos alternativos diferentes comprenden un sistema termodinámico dado, porque en general un sistema físico tiene muchas más características microscópicas de 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; generalmente 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 experimentos, queda 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 suele realizarse en función de las paredes y el entorno que son relevantes para los procesos termodinámicos que se deben 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 invariante en el tiempo. . [5] [6]
Para la termodinámica de equilibrio, en un estado termodinámico de un sistema, su contenido está en equilibrio termodinámico interno, con flujos cero de todas las cantidades, tanto internas como entre el sistema y sus alrededores. 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. Dichas variables de estado que identifican el no equilibrio indican que puede estar ocurriendo algún flujo distinto de cero dentro del sistema o entre el sistema y sus alrededores. [8]
Un sistema termodinámico se puede identificar o describir de varias maneras. Más directamente, puede identificarse mediante un conjunto adecuado de variables de estado. De manera menos directa, puede describirse 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 cantidades físicas ordinarias directamente mensurables. Para algunos propósitos simples, para un cuerpo dado de determinada constitución química, un conjunto suficiente de tales cantidades es "volumen y presión".
Además de las variables físicas ordinarias directamente mensurables que originalmente identifican el 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 determinados únicamente por el estado termodinámico tal como ha sido identificado por las variables de estado originales. Hay muchas funciones estatales de este tipo. 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 manera única. La temperatura termodinámica es un concepto específicamente termodinámico, mientras que las variables de estado originales directamente medibles se definen mediante mediciones físicas ordinarias, sin referencia a conceptos termodinámicos; por esta razón, resulta útil considerar la temperatura termodinámica como una función de estado.
Un 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 total respectivo en el valor de cada variable de estado termodinámico depende únicamente de los estados inicial y final. Para un proceso idealizado continuo o cuasiestático, esto significa que los cambios incrementales infinitesimales en tales variables son diferenciales exactos . Juntos, los cambios incrementales a lo largo del proceso y los estados inicial y final determinan completamente el proceso idealizado.
En el ejemplo simple más comúnmente citado, un gas ideal , las variables termodinámicas serían tres variables cualesquiera de las cuatro siguientes: cantidad de sustancia , presión , temperatura y volumen . Por tanto, el estado termodinámico abarcaría 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 son susceptibles de descripción basada en la proximidad a condiciones ideales. Una de esas condiciones ideales es la de un estado de equilibrio estable. Tal 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 hasta acercarse a estados de equilibrio estables únicos. Hay varios tipos diferentes de equilibrio, correspondientes 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.