Función de estado
En termodinámica, una función de estado es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibrio, y que no depende de la forma en que el sistema llegó a dicho estado.
[1] Dado un sistema termodinámico en equilibrio puede escogerse un número finito de variables de estado, tal que sus valores determinan unívocamente el estado del sistema.
En general, los sistemas fuera del equilibrio no pueden ser representados por un número finito de grados de libertad, y su descripción es mucho más compleja.
Sin embargo, hay casos especiales en los que el calor y el trabajo ya no dependen del camino seguido, ya sea reversible o irreversible , cuando las transformaciones tienen lugar ya sea a presión constante (ver entalpía ) o a volumen constante.
Es probable que el término «funciones de estado» fuera utilizado en un sentido laxo durante las décadas de 1850 y 1860 por personas como Rudolf Clausius, William Rankine, Peter Tait, y William Thomson.
En su artículo de 1873 «Métodos gráficos en la termodinámica de los fluidos», Willard Gibbs afirma: «Las cantidades v, p, t, ε, y η se determinan cuando se da el estado del cuerpo, y puede permitirse llamarlas funciones del estado del cuerpo.
"[2] Un sistema termodinámico se describe mediante un número de parámetros termodinámicos (por ejemplo, temperatura, volumen, o presión) que no son necesariamente independientes.
El número de parámetros necesarios para describir el sistema es la dimensión del espacio de estados del sistema (D).
Cualquier sistema bidimensional está especificado de forma única por dos parámetros.
, donde P denota la presión, T denota la temperatura, V denota el volumen, y la elipsis denota otras posibles variables de estado como el número de partículas N y la entropía S. Si el espacio de estado es bidimensional, como en el ejemplo anterior, puede visualizarse como un gráfico tridimensional (una superficie en un espacio tridimensional).
Sin embargo, las etiquetas de los ejes no son únicas (ya que en este caso hay más de tres variables de estado) y solo se necesitan dos variables independientes para definir el estado.
Para calcular el trabajo W en la integral anterior, las funciones P(t) y V(' 't) debe conocerse en cada momento t en toda la ruta.
Por lo tanto, la integral se puede expresar como la diferencia en el valor de P(t)V(t) en los puntos finales de la integración.
El producto PV es por lo tanto una función de estado del sistema.
El símbolo δ se reservará para una diferencial inexacta, que no puede integrarse sin un conocimiento completo de la trayectoria.
Por ejemplo, δW = PdV se utilizará para denotar un incremento infinitesimal de trabajo.
El trabajo es la cantidad de energía que ha cambiado su forma o ubicación.
Lo mismo ocurriría con la presión, que tampoco tiene la propiedad de aditividad.
En cambio, el volumen final V será igual a 2 l. El volumen no es una cantidad intensiva, sino una cantidad extensiva que depende de la extensión del sistema y, por tanto, de la cantidad de materia.
Las variables de estado intensivas son variables de estado cuya medida no depende del tamaño del sistema.
Las variables de estado intensivas no cambian su valor como resultado.
La temperatura del líquido, en cambio, es una cantidad intensiva, ya que dos vasos no están el doble de calientes que un solo vaso.
Los potenciales termodinámicos se miden en relación con un punto cero determinado arbitrariamente, como el estado inicial.
Se diferencian en sus variables naturales, que a su vez son variables de estado y pueden convertirse entre sí mediante la transformación de Legendre.
En los sistemas dinámicos o influidos por campos que almacenan energía, los flujos son también variables de estado extensivas.
Al considerar los potenciales termodinámicos, se incluyen como variables naturales las siguientes variables intensivas de estado: presión, temperatura (absoluta) y potencial químico.
En los sistemas dinámicos o influidos por campos que almacenan energía, las velocidades y las intensidades de campo son también variables intensivas de estado.
Tales combinaciones se producen como diferencia de potenciales termodinámicos.
El trabajo de expansión termodinámico viene dado por la expresión δW=pext ·dV o lo que es lo mismo W= ∫ pext ·dV detalles en Trabajo (física) Véase que usamos la notación δ en lugar de dW precisamente para distinguir que el trabajo no es función de estado, esto se debe a que dicha magnitud no depende sólo de los puntos final e inicial sino también de la trayectoria.
Por ejemplo para un gas ideal el espacio de estados tendrá dimensión 3-1=2, y podemos coger 2 variables independientes, que pueden ser la presión y el volumen.
