Estado termodinámico para niños

Un estado termodinámico es como una "foto" de un sistema en un momento específico. Imagina que tienes un globo lleno de aire; su estado termodinámico describe cómo está ese aire en ese instante, por ejemplo, qué temperatura tiene, qué presión ejerce y cuánto espacio ocupa.

Para describir completamente un estado termodinámico, usamos algo llamado variables de estado (también conocidas como parámetros de estado o variables termodinámicas). Estas son características que podemos medir, como la temperatura, la presión o el volumen. Una vez que conocemos los valores de estas variables, podemos saber todo lo demás sobre el sistema.

Normalmente, cuando hablamos de un estado termodinámico, nos referimos a un estado de equilibrio termodinámico. Esto significa que el sistema está estable y no cambia con el tiempo. Es como si el globo de aire estuviera en una habitación donde la temperatura y la presión son constantes, y el aire dentro del globo ya no se mueve ni cambia.

La termodinámica es una rama de la física que nos ayuda a entender cómo la energía se mueve y se transforma. Los estados termodinámicos son una idea fundamental en esta ciencia, como los bloques de construcción básicos para entender cómo funcionan las cosas.

Un sistema termodinámico no es exactamente lo mismo que un objeto físico cualquiera. Un objeto físico tiene muchísimos detalles pequeños (microscópicos) que la termodinámica no necesita para describirlo. La termodinámica se enfoca en las características grandes (macroscópicas) de un sistema. El número de variables que necesitamos para describir un estado termodinámico puede variar, pero generalmente son pocas, entre dos y una docena. La elección de qué variables usar depende de lo que queramos estudiar del sistema. Por ejemplo, si queremos ver cómo se transfiere el calor, necesitamos considerar la temperatura.

En un estado de equilibrio termodinámico, todo dentro del sistema está en calma, sin flujos de energía o materia. El físico Max Planck decía que un sistema en equilibrio, sin fuerzas externas, es uniforme en todo su espacio. Si un sistema no está en equilibrio, algunas variables, como una diferencia de temperatura en diferentes puntos, nos indican que hay cambios o flujos ocurriendo.

Variables de estado y funciones de estado

Podemos describir un sistema termodinámico de varias maneras. La forma más directa es usando un conjunto de variables de estado. También podemos usar otras cantidades llamadas funciones de estado.

Las variables de estado son cantidades físicas que podemos medir directamente, como el volumen y la presión de un gas. Estas son las que nos ayudan a identificar el estado del sistema.

Además de estas variables que medimos directamente, existen otras cantidades llamadas funciones de estado. Estas también se conocen como variables termodinámicas o cantidades de estado. Su valor está determinado de forma única por el estado termodinámico que ya hemos identificado con las variables originales. Hay muchas funciones de estado, como la energía interna, la entalpía (que mide la energía total de un sistema), la temperatura termodinámica y la entropía (que mide el desorden de un sistema). Por ejemplo, si conocemos la presión y el volumen de un gas, su temperatura se determina automáticamente. La temperatura termodinámica es un concepto clave en termodinámica, mientras que la presión y el volumen son medidas físicas más generales.

Cuando un sistema pasa de un estado termodinámico inicial a uno final, a esto lo llamamos un proceso termodinámico. Esto suele implicar que el sistema intercambia materia o energía con su entorno. Lo importante es que el cambio total en el valor de cualquier variable de estado solo depende del estado inicial y del estado final, no de cómo ocurrió el proceso en el medio.

Un ejemplo común es el de un gas ideal. Para describir su estado, podemos usar tres de estas cuatro variables: la cantidad de sustancia (cuánto gas hay), la presión, la temperatura y el volumen. Las otras cantidades, como la energía interna o la entropía, se pueden calcular a partir de estas tres. Las funciones de estado siguen reglas universales, que son las leyes de la termodinámica, y también dependen del tipo de material del sistema.

Existen diagramas termodinámicos que nos ayudan a visualizar cómo un sistema cambia de un estado a otro.

Propiedades que definen un estado termodinámico

Para entender un estado termodinámico, estas son algunas de las propiedades clave:

• Temperatura (T): Nos dice qué tan caliente o frío está un sistema. Representa la energía de movimiento promedio de las partículas.
• Presión (P): Es la fuerza que las partículas de un sistema ejercen sobre las paredes de su recipiente.
• Volumen (V): Es el espacio que ocupa el sistema.
• Composición: Si el sistema tiene más de un componente (como una mezcla de gases), la composición nos dice cuánto hay de cada uno.

Estado de equilibrio

Aunque los sistemas en la naturaleza son a menudo complejos y cambian constantemente, en muchos casos podemos describirlos como si estuvieran cerca de condiciones ideales. Una de esas condiciones ideales es el estado de equilibrio estable. Este es un concepto fundamental en la termodinámica clásica.

La termodinámica nos dice que todos los sistemas que están aislados de su entorno (es decir, que no intercambian energía ni materia con el exterior) tienden a evolucionar hacia un estado de equilibrio estable único. Hay diferentes tipos de equilibrio, y un sistema alcanza el equilibrio termodinámico cuando se cumplen todas las condiciones de estos tipos de equilibrio al mismo tiempo.

Aquí te mostramos algunos tipos de equilibrio:

• Equilibrio térmico: Ocurre cuando la temperatura es la misma en todo el sistema.
• Equilibrio mecánico: Se da cuando la presión no cambia con el tiempo en ningún punto del sistema y no hay movimiento de material.
• Equilibrio de fase: Sucede cuando la cantidad de cada fase (por ejemplo, sólido, líquido, gas) en un sistema deja de cambiar con el tiempo.
• Equilibrio químico: En este equilibrio, la composición química del sistema se mantiene constante y no cambia con el tiempo.

Diagramas de fase

Los diagramas de fase son gráficos que nos muestran todos los estados termodinámicos que un sistema puede tener cuando cambian ciertas cantidades, como la temperatura, la presión, el volumen o la composición. Son muy útiles para visualizar cómo se comporta un material bajo diferentes condiciones.

Véase también

En inglés: Thermodynamic state Facts for Kids

• Estado fundamental (física)
• Estado excitado
• Función de estado
• Termodinámica
• Diagrama de fase
• Estado estacionario (mecánica cuántica)