Introducción

Una vez que hemos considerado los principios fundamentales de la termodinámica, las propiedades que definen el estado termodinámico de un sistema y la forma de manejar matemáticamente las relaciones que existen entre ellas, vamos a estudiar con cierto detalle la aplicación de lo visto hasta ahora al análisis de los distintos sistemas que nos podemos encontrar en el trabajo de cada día.

Los sistemas objeto de estudio, según su constitución, podemos clasificarlos en homogéneos y heterogéneos.

Decimos que un sistema es homogéneo cuando su composición química y propiedades físicas son iguales en todas sus partes o varían de un modo continuo de un punto del sistema a otro. Como ejemplo característico podríamos considerar una columna de aire. En este sistema y debido a la gravedad, con la altura cambian de un modo continuo, tanto su composición química como sus propiedades físicas.

Cuando un sistema está constituido por dos o más partes homogéneas distintas se denomina heterogéneo. A cada una de las partes homogéneas que forman un sistema heterogéneo se le denomina fase. Las superficies que delimitan cada fase se denominan interfases y en ellas se da un cambio brusco en las propiedades (físicas, químicas o en ambas) que caracterizan cada fase. Hay casos en los que es conveniente considerar la interfase no como una superficie matemática, sino como una capa delgada en la que se transforma rápidamente el valor de las propiedades que definen cada fase (hielo-agua, agua-acetona, mercurio-acetona).

Tanto los sistemas homogéneos como los heterogéneos, pueden estar compuestos por una sola especie química (materia de composición química definida) o por más de una especie química. Entre los primeros podemos citar: agua líquida, disolución de agua y azúcar, aire (gas) y cualquier mezcla gaseosa. Entre los heterogéneos: agua(l) + hielo(s) [una sola especie química, sistema monocomponente]; aire(g)+aire(l) [sistema multicomponente y composición química distinta en la fase gas y líquido].

En ingeniería se trabaja con frecuencia con el término sustancia pura, entendiendo por tal la que tiene composición química uniforme en todos sus puntos. Un sistema que contenga agua y hielo es una sustancia pura, aunque sea heterogéneo, también es una especie química, ya que cualquier porción elemental del sistema responderá a la formula \(H_2O\). El aire, aunque sea una mezcla de gases, en tanto en cuanto mantenga su composición, puede considerarse una sustancia pura, pero no una especie química. El sistema formado por aire(g) + aire(l) no es una sustancia pura, por ser su composición distinta en la fase gas y líquido.

Hay quien utiliza como sinónimos especie química y sustancia pura, en tal caso el aire seria una mezcla de sustancias puras y el sistema \(H_2O+ClNa\) ó \(H_2O+\text{azúcar}\), no saturados, serian disoluciones de sustancias puras.

Tanto las sustancias puras como las mezclas pueden encontrarse en tres estados de agregación: gas, líquido y sólido.

Note

Se considera un cuarto estado de agregación en el que existen presentes iones y electrones libres, es el denominado plasma. Este estado se presenta en condiciones muy especiales y no vamos a estudiarlo.

En este tema nos dedicaremos al estudio de las propiedades termodinámicas de cada una de las fases y en el siguiente haremos el estudio de las condiciones de equilibrio de los sistemas homogéneos y de las transiciones de fase.