Equilibrio

Equilibrio termodinámico: equilibrio mecánico, equilibrio térmico, equilibrio de fase y equilibrio químico.

Procedimiento: aislamos del medio ambiente. Si no cambian las propiedades, estaba en equilibrio, si no, no.

Proceso de relajación: paso de un estado de no equilibrio a uno de equilibrio ($\tau=$ tiempo de relajación = lo que dura el proceso de relajación).

Modelos de procesos:

• Proceso reversible: el que experimenta un sistema que mantiene el estado de equilibrio termodinámico en todo instante.
• Proceso cuasiestático: $\tau<< t_p$, en donde, $t_p=$ tiempo del proceso. nos movemos casi en estado de equilibrio. Es el modelo a utilzar cuando un proceso es lento.

Introducción

El estudio de la termodinámica clásica se centra especialmente en el estudio de los estados de equilibrio y la variación de propiedades producidas cuando un sistema pasa de un estado de equilibrio a otro.

Cuando se efectúa el estudio termodinámico de un sistema, el concepto de equilibrio tiene mayor alcance y no sólo incluye el equilibrio de fuerzas sino también el de otras interacciones.

Cada clase de interacción se refiere a un aspecto particular del equilibrio termodinámico o equilibrio total de un sistema. De acuerdo con lo dicho, deben existir varios tipos de equilibrio particular para completar la condición de equilibrio termodinámico. Entre estos figuran el equilibrio:

• mecánico
• térmico
• de fase
• químico

Más adelante se consideran criterios para estos cuatro tipos de equilibrio, pero de momento es importante conocer la forma de decidir si un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico.

¿Cómo saber si un sistema se haya en equilibrio?

Para ello, se aisla el sistema de su medio ambiente y se observa qué sucede con sus propiedades. Si no hay cambio una vez aislado el sistema, se puede asegurar que el sistema se hallaba en equilibrio en el momento de aislarlo. Se puede afirmar que se encontraba en estado de equilibrio termodinámico, o simplemente en estado de equilibrio.

Cuando un sistema se halla en estado de equilibrio, las propiedades del sistema tienen igual valor en cada fase del mismo y de hecho sólo tiene sentido hablar de variables o propiedades del sistema cuando el sistema se encuentra en equilibrio.

Considérese, por ejemplo, que se utiliza la presión y la temperatura para describir el estado de un sistema. En este caso, la temperatura del sistema es uniforme en todos los puntos del mismo y, si no existen campos de fuerza externos, también lo es la presión.

No equilibrio - Tiempos de relajación

Para los sistemas termodinámicos son posibles estados en los que las propiedades termodinámicas toman distintos valores en distintos puntos del sistema y, por lo tanto, no son estados de equilibrio.

El proceso durante el que el sistema pasa de un estado de no equilibrio a un estado de equilibrio se denomina proceso de relajación y el tiempo que tarda cada parámetro del sistema en hacerse igual en todo el sistema, se conoce como tiempo de relajación del parámetro dado $\tau$. El tiempo total de relajación de un sistema es más largo que los tiempos individuales de relajación.

Los tiempos de relajación para los distintos procesos no pueden calcularse dentro del marco de la termodinámica, ya que los fenómenos de relajación son procesos, a nivel molecular, de transferencia de energía, cantidad de movimiento y magnitudes físicas análogas. La evaluación de los tiempos de relajación es un problema de la cinética física.

Modelos de procesos

En termodinámica técnica se está más interesados por los procesos (cambios de estado) que por los estados de equilibrio en sí, que no pueden dar lugar a ningún cambio que permita obtener el efecto que se busca en una instalación determinada.

Es claro que durante un proceso determinado, cuando el sistema que lo realiza pasa de un estado a otro, no es posible definir el valor de sus propiedades termodinámicas porque éste varía según el punto que se elija en el mismo para efectuar su determinación.

A fin de poder estudiar termodinámicamente estos cambios, se utilizan dos modelos de procesos: procesos reversibles y procesos cuasiestáticos.

Proceso reversible

El proceso reversible se define como aquel que experimenta un sistema que mantiene el equilibrio termodinámico en los sucesivos estados que definen la trayectoria del proceso.

Proceso cuasiestático (o cuasiequilibrio)

Son aquellos en los que los correspondientes tiempos de relajación ($\tau$) de los distintos parámeros que caracterizan el sistema son mucho más pequeños que el tiempo empleado por el proceso ($t_p$) para completarse. $$\tau<< t_p$$

Dicho de otra forma, la velocidad del proceso es mucho menor que la velocidad de relajación. Por ello, en cualquier etapa del proceso habrá tiempo suficiente como para que las variables termodinámicas utilizadas adquieran cada una de ellas valores uniformes en todo el sistema y el proceso representará una sucesión continua de estados de equilibrio infinitamente próximos entre sí.

Es más próximo a la realidad, y por tanto se utilizará con frecuencia para aproximarse al estudio de un proceso que tenga lugar en una instalación real.

Estos procesos se caracterizan porque su desviación de los correspondientes procesos en equilibrio termodinámico es muy pequeña. Es decir, todos los estados por los que pasa un sistema en un proceso cuasiestático pueden considerarse estados de equilibrio.

En los procesos reales, los estados de no equilibrio son inevitables, por lo que las transformaciones que interesará analizar se podrán aproximar a procesos cuasi estáticos, pero nunca se identificarán del todo con ellos.

Para estudiar termodinámicamente un determinado proceso no es condición imprescindible que el proceso sea asimilable a uno cuasiestático. Simplemente, pudiendo definir los estados inicial y final del proceso, es decir, siempre que estos estados sean de equilibrio, es posible deducir y evaluar ciertos efectos globales que tienen lugar durante aquel.