Conceptos Básicos: Sistema, Estado, Proceso, Fase, Ciclo.

Sistema.

 Sistema para definirse de forma fácil y sencilla es un conjunto de elementos que trabajan unidos por un mismo fin.

Un sistema es un conjunto de partes o elementos organizados y relacionados que interactúan entre sí para lograr un objetivo. Los sistemas reciben (entrada) datos, energía o materia del ambiente y proveen (salida) información, energía o materia.

Un sistema puede ser físico o concreto (una computadora, un televisor, un humano) o puede ser abstracto o conceptual (un software).

Ø Sistema Físico. 

Es un agregado de objetos o entidades materiales entre cuyas partes existe una conexión o interacción de tipo causal (aunque no necesariamente determinista o causal en el sentido de la Teoría de la relatividad). Todos los sistemas físicos se caracterizan por:

1.     Tener una ubicación en el espacio-tiempo.

2.     Tener un estado físico definido sujeto a evolución temporal.

3.     Poderle asociar una magnitud física llamada energía.

Para la inmensa mayoría de sistemas físicos, el objeto más básico que define a un sistema físico es el lagrangiano, que es una función escalar cuya forma funcional resume las interrelaciones básicas de las magnitudes relevantes para definir el estado físico del sistema.

è  Sistemas Físicos en Relación al Entorno.

Los sistemas físicos pueden ser abiertos, cerrados o aislados, según que realicen o no intercambios con su entorno:

ü  Sistema Abierto: Es un sistema que recibe flujos (energía y materia) de su entorno. Los sistemas abiertos, por el hecho de recibir energía, pueden realizar el trabajo de mantener sus propias estructuras e incluso incrementar su contenido de información. El hecho de que los seres vivos sean sistemas estables capaces de mantener su estructura a pesar de los cambios del entorno requiere que sean sistemas abiertos.

ü  Sistema Cerrado: Sólo intercambia energía con su entorno, en un sistema cerrado el valor de la entropía es máximo compatible con la cantidad de energía que tiene.

ü  Sistema Aislado: No tiene ningún intercambio con el entorno.

è  Sistemas de Unidades: A través de la historia de la humanidad, se han utilizado varios sistemas de unidades, entre ellos mencionamos los siguientes:

Sistema inglés.

Sistema CGS.

Sistema Giorqi o MKS.

Estado.

 En el lenguaje cotidiano, al igual que en la física y en la química, el concepto de estado se emplea para describir una situación en la cual se halla un objeto o ser vivo. En estos casos, la palabra está relacionada a una forma de ser o de permanecer.

Ø Estado de la Materia.

Los cuerpos suelen distinguirse por su estado físico, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Estos son los más aparentes, pero no son los únicos.

è  Estado Sólido.

Un cuerpo sólido tiene forma y volumen propios y sólo se deforma si se ejercen sobre él presiones más o menos intensas. Casi todos los metales, por ejemplo, son sustancias sólidas.

Los objetos en estado sólido se presentan como cuerpos de forma compacta y precisa; sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras estrechas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son calificados generalmente como duros y resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión. En los sólidos cristalinos, la presencia de espacios intermoleculares pequeños da paso a la intervención de las fuerzas de enlace, que ubican a las celdillas en formas geométricas. En los amorfos o vítreos, por el contrario, las partículas que los constituyen carecen de una estructura ordenada.

Las sustancias en estado sólido suelen presentar algunas de las siguientes características:

ü  Cohesión elevada.

ü  Forma definida.

ü  Incompresibilidad.

ü  Resistencia a la fragmentación.

ü  Fluidez muy baja o nula.

ü  Algunos de ellos se subliman.

 

è  Estado Líquido.

Un líquido tiene un volumen constante, pero su forma varía según el recipiente que lo contiene.

Si se incrementa la temperatura, el sólido va perdiendo forma hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos.

El estado líquido presenta las siguientes características:

ü  Cohesión menor.

ü  Movimiento energía cinética.

ü  No poseen forma definida.

ü  Toma la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.

ü  En el frío se contrae (exceptuando el agua).

ü  Posee fluidez a través de pequeños orificios.

ü  Puede presentar difusión.

ü  Volumen constante

è  Estado Gaseoso.

Un gas carece de forma y volumen propios: ocupa siempre el volumen del recipiente que lo contiene, puesto que es dilatable y compresible.

Incrementando aún más la temperatura, se alcanza el estado gaseoso. Las moléculas del gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos.

El estado gaseoso presenta las siguientes características:

ü  Cohesión casi nula.

ü  No tienen forma definida.

ü  Su volumen es variable.

è  Estado Plasmático.

El plasma es un gas ionizado, es decir que los átomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por aniones y cationes (iones con carga negativa y positiva, respectivamente), separados entre sí y libres, por eso es un excelente conductor. Un ejemplo muy claro es el Sol.

Ø Cambios de Estado.

Muchas sustancias pueden cambiar de estado bajo los efectos de la temperatura y la presión. El agua, líquida a la temperatura ordinaria, se transforma en gas (vapor de agua) a 100º grados y a la presión atmosférica (vaporización) y en sólido (hielo) a 0º grados y a la presión atmosférica (solidificación).

Al elevarse la temperatura, el hielo vuelve a convertirse en líquido por fusión.

Los cambios de estado descritos también se producen si se incrementa la presión manteniendo constante la temperatura. Así, el hielo de las pistas se funde por la presión ejercida por el peso de los patinadores. Esta agua sirve de lubricante, permitiendo el suave deslizamiento de los patinadores.

Para cada elemento o compuesto químico existen determinadas condiciones de presión y temperatura a las que se producen los cambios de estado, debiendo interpretarse, cuando se hace referencia únicamente a la temperatura de cambio de estado, que ésta se refiere a la presión de la atm. (la presión atmosférica). De este modo, en "condiciones normales" (presión atmosférica, 0 °C) hay compuestos tanto en estado sólido como líquido y gaseoso (S, L y G).

Los procesos en los que una sustancia cambia de estado son: la sublimación (S-G), la vaporización (L-G), la condensación (G-L), la solidificación (L-S), la fusión (S-L), y la sublimación inversa (G-S). Es importante aclarar que estos cambios de estado tienen varios nombres.

Fig. No. 17. Diagrama de los cambios de estado entre los estados sólido, líquido y gaseoso.

Proceso_.

 Un proceso es un conjunto de actividades o eventos (coordinados u organizados) que se realizan o suceden (alternativa o simultáneamente) bajo ciertas circunstancias con un fin determinado. Este término tiene significados diferentes según la rama de la ciencia o la técnica en que se utilice.

Ø Tipos de Proceso.

è  Proceso Físico.

Es aquel donde los componentes al ser sometidos a un proceso no cambian sus propiedades e incluso ese proceso es reversible. Ej. El agua puede pasar a hielo a vapor de agua pero no dejará de ser agua.

è  Proceso Químico.

En este caso te encontrarás frente a una nueva sustancia, con propiedades totalmente distintas y frente a un proceso irreversible.
Por ej. Si mezclas ácido sulfúrico e hidróxido de sodio obtendrás una sal, el sulfato de sodio.

è  Proceso Termodinámico.

  En física, se denomina proceso termodinámico a la evolución de determinadas magnitudes (o propiedades) propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema termodinámico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final; es decir, que las magnitudes que sufren una variación al pasar de un estado a otro deben estar perfectamente definidas en dichos estados inicial y final. De esta forma los procesos termodinámicos pueden ser interpretados como el resultado de la interacción de un sistema con otro tras ser eliminada alguna ligadura entre ellos, de forma que finalmente los sistemas se encuentren en equilibrio (mecánico, térmico y/o material) entre sí.

 De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilización del sistema.

è  Procesos Iso.

Son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformación. Se les asigna el prefijo iso-.

Ejemplo:

ü  Isotérmico: proceso a temperatura constante.

ü  Isobárico: es aquel proceso termodinámico que ocurre a presión constante. En él, el calor transferido a presión constante está relacionado con el resto de variables.

ü  Isométrico o Isocórico: proceso a volumen constante; también llamado proceso isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante. Todo el calor que transfiramos al sistema se sumará a su energía interna. Si la cantidad de gas permanece constante, entonces el incremento de energía será proporcional al incremento de temperatura.

ü  Isoentálpico: proceso a entalpía constante.

·          Entalpía: es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

ü  Isoentrópico: proceso a entropía constante.

·          Entropía: En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que, mediante cálculo, permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo.

Fase.

En termodinámica y química, se denomina fase a cada una de las partes macroscópicas de una composición química y propiedades físicas homogéneas que forman un sistema. Los sistemas monofásicos se denominan homogéneos, y los que están formados por varias fases se denominan mezclas o sistemas heterogéneos.

 Se debe distinguir entre fase y estado de agregación de la materia. Por ejemplo, el grafito y el diamante son dos formas alotrópicas del carbono; son, por lo tanto, fases distintas, pero ambas pertenecen al mismo estado de agregación (sólido). También es frecuente confundir fase y microconstituyente; por ejemplo, en un acero cada grano de perlita es un microconstituyente, pero está formado por dos fases, ferrita y cementita.

Los líquidos provenientes de diferentes reacciones suelen contener diferentes fases, es decir, dos o más líquidos que se separan tras un corto tiempo en reposo, generalmente se obtiene una fase acuosa y otra orgánica. Una fase posee características físicas y químicas relativamente homogéneas y puede constar de uno o varios compuestos. Sin embargo, cuando las propiedades de otro o más compuestos difieren en tal grado que dejan de ser compatibles, entonces hay separación de fases. Esta característica se observa, por ejemplo, al mezclar agua y aceite y dejarlos reposar unos minutos. Se observa una línea divisoria o interfase, dado que estos materiales no son compatibles y se separan en fases.

 Ø Separación de Fases.

La separación en fases es señal clara de la falta de miscibilidad del sistema. Estas fases se pueden separar por medio de diferentes operaciones unitarias como:

ü  Tamización

ü  Levigación

ü  Decantación

ü  Filtración

ü  Evaporación

ü  Destilación

ü  Cristalización

ü  Imantación

Estas fases también se pueden miscibilizar por medio de un agente llamado emulsificante o de manera incorrecta tensoactivo, debido a que modifica la tensión superficial entre los elementos de las fases, el cual contiene en su molécula una parte miscible con una fase y otra parte miscible con la segunda. Con esto se logra que el líquido (o sólido) se mezcle y macroscópicamente aparente ser uno solo.

Ø Cambios de Fase.

Fases son los estados de la materia que pueden existir en equilibrio y en contacto térmicos simultáneamente. Los cambios de fase ocurren cuando algunas de las variables utilizadas en la descripción macroscópica cambian bajo ciertas condiciones de equilibrio; ya sea por agentes externos o internos. 

La descripción del fenómeno desde el punto de vista termodinámico lleva a utilizar la temperatura y presión como variables; los cuales permanecen constantes durante la transición. La entropía y el volumen son variables durante el proceso. Además, debido a que se realizan bajo condiciones de equilibrio termodinámico, los cambios de fase son reversibles.

Ciclo.

 Del latín cyclus, un ciclo es cierto periodo temporal que, una vez finalizado, vuelve a empezar. También se trata de la secuencia de etapas que atraviesa un suceso de características periódicas y del grupo de fenómenos que se reiteran en un cierto orden.

Serie de etapas o estados por los que pasa un acontecimiento o fenómeno que se repiten en el mismo orden hasta llegar a una etapa o estado a partir de los cuales vuelven a repetirse en el mismo orden: las reservas de agua dulce de la Tierra se reponen gracias al ciclo del agua.

Se conoce como ciclo del agua al proceso a través del cual el agua circula por la hidrosfera. El calor hace que el agua de la superficie se evapore y se condense, formando nubes. Con las precipitaciones (como la lluvia), el agua retorna al océano y el ciclo vuelve a comenzar.

Período en que se verifican una serie de acontecimientos o fenómenos hasta llegar a uno a partir del cual vuelven a producirse en el mismo orden.

Serie de estados por los que pasa un cuerpo hasta llegar de nuevo al estado inicial. En lenguaje científico se dice del conjunto de fenómenos que se suceden ordenadamente y se repiten indefinidamente: c. del agua; c. del nitrógeno, para indicar las sucesivas transformaciones de estado físico o de combinación que experimentan el agua o el nitrógeno en la naturaleza.

Ø Ciclo Termodinámico. 

Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema regrese a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias del sistema sea nula.

No obstante, a variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe de ser igual a la suma de calor y trabajo realizados por el sistema.