Sistemas, estados y funciones de estado

Cuando estudiamos el intercambio de energía en los procesos que ocurren en la naturaleza, necesitamos definir conceptos como el de sistema, siendo este la parte pequeña del universo que se encuentra sometida al estudio teórico o experimental. De este modo el resto del universo por el que se ve rodeado lo definiríamos como entorno

( medio externo) y por ejemplo, en un circuito de refrigeración, el gas que experimenta procesos de expansión y comprensión sería el sistema. En las reacciones químicas, el sistema se encuentra formado por las sustancias químicas que intervienen en ellas y el entorno sería todo lo demás, incluyendo el propio recipiente de la reacción.

Existen diferentes tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados.

Por un lado tenemos los sistemas abiertos, los cuales intercambian materia y energía con el entorno, como ocurre por ejemplo en el caso de una masa de sodio que reacciona con el agua que contiene un determinado recipiente, proceso en el que se realiza un intercambio de energía, produciéndose gas hidrógeno, el cual se difunde en el entorno.

El estudio de los sistemas cerrados, resulta quizás algo más sencillo, ya que estos tipos de sistemas intercambian energía con su entorno, pero no existe un intercambio de materia. Esto ocurre por ejemplo, en reacciones químicas que se realizan en recipientes cerrados con un volumen constante, o a una presión constante, por lo que se dice que en dichos sistemas se impide el intercambio de materia con el entorno.

En último lugar tenemos los sistemas que no pueden ni intercambiar materia ni energía con el entorno. A estos sistemas se los conoce con el nombre de sistemas aislados.

Una vez determinado el sistema que vamos a estudiar, se hace necesario conocer una serie de propiedades del mismo, como pueden ser la presión, la temperatura, el volumen, su composición, etc. el conjunto de estas propiedades dará lugar a definir el estado del sistema. Este tipo de magnitudes pueden verse alteradas, y variar a lo largo del proceso en el que el sistema pasa desde un estado inicial a un estado final. A estas magnitudes de las conoce como variables de estado, precisamente porque dichas magnitudes pueden cambiar en el transcurso de la reacción.

Todas las variables de estado no son independientes unas de otras, sino que con frecuencia se encuentran relacionadas entre sí a través de lo que se conoce como ecuaciones de estado. Así, por ejemplo, en el caso de un gas ideal del cual conocemos su número de moles, la presión y la temperatura, el volumen que ocupa dicho gas podremos determinarlo a través de la ecuación de estado de los gases ideales ( PV= nRT).

Algunas de las propiedades o de las variables que nos determinan el estado de un sistema concreto tienen un valor definido y único para cada estado del sistema. Dichas propiedades se llaman funciones de estado, y la variación de ellas sólo depende del estado inicial y final del sistema, por lo cual, cuando el sistema sufre un proceso de tipo cíclico, es decir, cuando el estado final coincide con el estado inicial, la variación de las funciones de estado se dice que es nula.

En los sistemas químicos (reacciones químicas), se les conoce como funciones de estado, entre otras, la presión, el volumen, la temperatura, la energía interna y la entalpía. Por el contrario, el calor y el trabajo no son funciones de estado, pues cuando un sistema sufre un proceso cíclico, se intercambia calor, y por lo tanto se desarrolla un trabajo.