Proceso termodinámico

Definido por un ciclo de transferencias de entrada y salida de un sistema, un proceso cíclico se describe mediante las cantidades transferidas en las distintas etapas del ciclo. La descripción de los estados del sistema en cada etapa puede ser de escaso o nulo interés. Un ciclo es una secuencia de un pequeño número de procesos termodinámicos que, de forma indefinida y repetida, devuelve al sistema a su estado original. Por ello, no es necesario describir los estados en sí mismos, ya que lo que interesa son las transferencias. Se razona que si el ciclo puede repetirse indefinidamente, se puede asumir que los estados permanecen recurrentemente inalterados. El estado del sistema durante los distintos procesos en etapas puede ser incluso menos relevante que la naturaleza precisa de los estados recurrentes. Sin embargo, si los distintos procesos en etapas son idealizados y cuasiestáticos, el ciclo se describe mediante una trayectoria a través de una progresión continua de estados de equilibrio.

Un proceso de flujo, definido por los flujos a través de un sistema, es un estado estacionario de entrada y salida de un recipiente con propiedades de pared definidas. El estado interno del contenido del recipiente no es la principal preocupación. Las magnitudes de interés principal describen los estados de los materiales de entrada y salida, y, paralelamente, las transferencias de calor, trabajo y energías cinética y potencial del recipiente. Los estados de los materiales de entrada y salida consisten en sus estados internos y en sus energías cinética y potencial como cuerpos completos. Con frecuencia, las magnitudes que describen los estados internos de los materiales de entrada y salida se estiman bajo el supuesto de que son cuerpos en sus propios estados de equilibrio termodinámico interno. Debido a que se permiten reacciones rápidas, el tratamiento termodinámico puede ser aproximado, no exacto.

El par conjugado presión-volumen se refiere a la transferencia de energía mecánica como resultado del trabajo.

• Un proceso isobárico se produce a presión constante. Un ejemplo sería tener un pistón móvil dentro de un cilindro, de modo que la presión en su interior se mantenga siempre a la presión atmosférica, aunque esté separado de la atmósfera. En otras palabras, el sistema está conectado dinámicamente , mediante un límite móvil, a un depósito a presión constante.
• Un proceso isocórico es aquel en el que el volumen se mantiene constante, con el resultado de que el trabajo mecánico PV realizado por el sistema será cero. Por otro lado, se puede realizar trabajo isocórico sobre el sistema, por ejemplo, mediante un eje que acciona una paleta giratoria ubicada dentro del sistema. De ello se deduce que, para el sistema simple de una variable de deformación, cualquier energía calorífica transferida al sistema externamente será absorbida como energía interna. Un proceso isocórico también se conoce como proceso isométrico o proceso isovolumétrico . Un ejemplo sería colocar una lata cerrada de material en el fuego. En una primera aproximación, la lata no se expandirá, y el único cambio será que el contenido gana energía interna, evidenciado por un aumento de la temperatura y la presión. Matemáticamente,${\displaystyle \delta Q=dU}$El sistema está aislado dinámicamente del entorno mediante un límite rígido.

El par conjugado temperatura-entropía se refiere a la transferencia de energía, especialmente en un sistema cerrado.

• Un proceso isotérmico se produce a temperatura constante. Un ejemplo sería un sistema cerrado sumergido y conectado térmicamente a un baño térmico de gran tamaño y temperatura constante. La energía que el sistema gana mediante el trabajo realizado sobre él se pierde en el baño, de modo que su temperatura permanece constante.
• Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de materia ni de calor, debido a que una pared aislante térmica separa el sistema de su entorno. Para que el proceso sea natural, se debe cumplir una de las siguientes condiciones: (a) realizar trabajo sobre el sistema a un ritmo finito, de modo que su energía interna aumente y su entropía aumente a pesar de estar aislado térmicamente; o (b) realizar trabajo sobre el entorno, que a su vez experimenta un aumento de entropía y recibe energía del sistema.
• Un proceso isoentrópico se define habitualmente como un proceso adiabático reversible, cuasiestático e idealizado, de transferencia de energía en forma de trabajo. En cambio, para un proceso de entropía constante, si se realiza trabajo de forma irreversible, es necesaria la transferencia de calor, por lo que el proceso no es adiabático y se requiere un mecanismo de control artificial preciso; por lo tanto, no se trata de un proceso termodinámico natural ordinario.

Los procesos descritos anteriormente presuponen que los límites también son impermeables a las partículas. En caso contrario, podemos suponer límites rígidos, pero permeables a uno o más tipos de partículas. Consideraciones similares se aplican al par potencial químico - número de partículas conjugado, que se refiere a la transferencia de energía mediante este intercambio de partículas.

• En un proceso de potencial químico constante, el sistema está conectado mediante transferencia de partículas , a través de un límite permeable a las partículas, a un depósito de μ constante.
• El proceso conjugado aquí es un proceso con un número constante de partículas. Estos son los procesos descritos anteriormente. No se añade ni se sustrae energía del sistema por transferencia de partículas. El sistema está aislado de su entorno frente a la transferencia de partículas mediante una frontera impermeable a las partículas, pero que permite la transferencia de energía en forma de trabajo o calor. Estos procesos son los que definen el trabajo y el calor termodinámicos, y para ellos se dice que el sistema es cerrado .

En la naturaleza solo ocurren procesos naturales. Para la termodinámica, un proceso natural es una transferencia entre sistemas que aumenta la suma de sus entropías y es irreversible. ^{[ 2 ]} Los procesos naturales pueden ocurrir espontáneamente al eliminarse una restricción o al ocurrir alguna otra operación termodinámica , o pueden desencadenarse en un sistema metaestable o inestable, como por ejemplo en la condensación de un vapor sobresaturado. ^{[ 4 ]} Planck enfatizó la ocurrencia de fricción como una característica importante de los procesos termodinámicos naturales que implican la transferencia de materia o energía entre el sistema y el entorno.

Para describir la geometría de las superficies gráficas que ilustran las relaciones de equilibrio entre las funciones termodinámicas de estado, nadie puede pensar ficticiamente en los llamados "procesos reversibles". Son objetos teóricos convenientes que trazan trayectorias a través de superficies gráficas. Se les llama "procesos", pero no describen procesos que ocurren naturalmente, los cuales son siempre irreversibles. Dado que los puntos en las trayectorias son puntos de equilibrio termodinámico, es habitual pensar en los "procesos" descritos por las trayectorias como ficticiamente "reversibles". ^{[ 2 ]} Los procesos reversibles son siempre procesos cuasiestáticos, pero lo contrario no siempre es cierto.

Los procesos antinaturales son lógicamente concebibles, pero no ocurren en la naturaleza. Si ocurrieran, disminuirían la suma de las entropías. ^{[ 2 ]}

Un proceso cuasiestático es un modelo idealizado o ficticio de un "proceso" termodinámico considerado en estudios teóricos. No ocurre en la realidad física. Puede imaginarse como si sucediera infinitamente lento, de modo que el sistema transita por un continuo de estados infinitesimalmente cercanos al equilibrio .