La termodinàmica és la branca de la física que estudia els intercanvis denergia i matèria en els sistemes. Un dels seus conceptes fonamentals és l' estat termodinàmic , que descriu completament un sistema en termes d'un conjunt de variables que permeten predir-ne el comportament.
Els sistemes termodinàmics es caracteritzen per una sèrie de propietats físiques, químiques i mecàniques que en determinen l'estat, i pot ser manipulat o alterat a través de processos termodinàmics.
Què és un estat termodinàmic?
Un estat termodinàmic és el conjunt de totes les variables d‟estat d‟un sistema termodinàmic en un moment donat. Aquestes variables poden incloure, entre d'altres, temperatura, pressió, volum, energia interna i entalpia.
Les variables d‟estat són aquelles magnituds que permeten descriure completament la condició d‟un sistema. En altres paraules, no importa com el sistema va arribar a aquest estat; només importa el valor de les variables en el moment actual.
Un exemple senzill és un gas contingut en un recipient tancat com el pistó d'un motor tèrmic. Per descriure l'estat del gas, cal conèixer-ne la pressió, el volum i la temperatura. Un cop determinades aquestes variables, l'estat del sistema està completament definit.
Variables d'estat
Les variables d'estat o els paràmetres d'estat són les magnituds físiques que descriuen l'estat d'un sistema termodinàmic en equilibri sense necessitat de conèixer-ne la història prèvia.
Aquestes poden ser classificades en dos tipus:
- Variables extensives : Són aquelles que depenen de la quantitat de matèria en el sistema, com el volum, l'energia interna, l'entalpia i la massa.
- Variables intensives : No depenen de la quantitat de matèria, com la temperatura, la pressió i la densitat.
Per a qualsevol sistema, la combinació dun nombre adequat daquestes variables destat és suficient per descriure completament el seu estat termodinàmic.
Les relacions entre aquestes variables són determinades per les equacions d'estat.
Funcions d'estat i importància
Una funció d'estat és qualsevol propietat d'un sistema que depèn únicament de l'estat actual del sistema, sense importar el camí o el procés pel qual hagi arribat a aquest estat.
Les funcions d'estat són fonamentals a la termodinàmica perquè permeten predir com canviarà el sistema sense necessitat de rastrejar la seva història completa. Això simplifica enormement les anàlisis termodinàmiques.
Exemples de funcions d'estat
Alguns exemples de funcions d'estat inclouen:
- Energia interna (U) : És la suma de l'energia cinètica i potencial de totes les partícules en un sistema.
- Entalpia (H) : Representa l'energia total d'un sistema, incloent-hi tant l'energia interna com el producte de la pressió i el volum.
- Entropia (S) : És una mesura del desordre o l'aleatorietat en un sistema.
- Pressió (P) : Força que exerceix el sistema per unitat d'àrea.
- Temperatura (T) : Una mesura de l'energia cinètica mitjana de les partícules al sistema.
- Volum (V) : Espai ocupat pel sistema.
Les equacions d‟estat: relació entre les variables d‟estat
Les equacions d‟estat són relacions matemàtiques que vinculen les variables d‟estat d‟un sistema.
En general, les equacions d'estat proporcionen una manera de predir com canviaran les propietats d'un sistema en resposta a canvis en les condicions externes, com ara la temperatura o la pressió.
Per a un gas ideal, per exemple, l'equació d'estat és la coneguda equació dels gasos ideals:
P·V=n·R·T
On:
- P és la pressió,
- V és el volum,
- n és la quantitat de substància (en mols),
- R és la constant dels gasos ideals, i
- T és la temperatura absoluta.
Per a sistemes més complexos, com ara gasos reals, líquids o sòlids, les equacions d'estat poden ser molt més complicades.
L'equilibri termodinàmic
Un concepte fonamental en termodinàmica és equilibri termodinàmic. Un sistema està en estat dequilibri quan les seves propietats macroscòpiques no canvien amb el temps.
Això implica que el sistema ha assolit un estat on les forces i els fluxos denergia o matèria estan balancejats.
Hi ha diversos tipus d'equilibri que un sistema pot assolir:
- Equilibri tèrmic : S'assoleix quan la temperatura és uniforme a tot el sistema i no hi ha flux de calor entre les diferents parts del sistema o amb el seu entorn.
- Equilibri mecànic : Succeeix quan les forces internes i externes que actuen sobre el sistema estan balancejades, de manera que no hi ha moviment net de matèria ni canvis en la pressió.
- Equilibri de fase : Ocorre quan la massa de cada fase d'un sistema roman constant amb el temps. Un exemple clàssic és un sistema en què coexisteixen un líquid i el seu vapor en equilibri.
- Equilibri químic : Es dóna quan les reaccions químiques dins d'un sistema han assolit un punt on les velocitats de reacció directa i inversa són iguals, i les concentracions dels reactius i productes no canvien.
En termes pràctics, un sistema que ha assolit l'equilibri termodinàmic no experimenta més canvis espontanis a les seves propietats macroscòpiques.
Diagrames d'estats termodinàmics
Una forma útil de representar els estats i transicions d'un sistema és mitjançant diagrames termodinàmics . Aquests diagrames us permeten visualitzar com canvien les variables d'estat d'un sistema durant un procés.
- Diagrama PV (Pressió-Volum) : És un dels més comuns i s'utilitza per representar processos en sistemes de gasos. En aquest diagrama, l'àrea sota la corba en un procés isobàric (pressió constant) representa la feina feta pel sistema.
- Diagrama TS (Temperatura-Entropia) : Aquest diagrama és particularment útil en l'anàlisi de cicles termodinàmics, com el cicle de Carnot. L'àrea sota la corba en un cicle tancat en un diagrama TS representa la calor intercanviada.
- Diagrama HS (Entalpia-Entropia) o Diagrama de Mollier : Molt utilitzat en l'enginyeria per estudiar turbines, compressors i altres equips de potència.
Processos termodinàmics
Els sistemes termodinàmics poden patir processos termodinàmics , que són les transicions dun estat dequilibri a un altre. Durant aquests processos, les variables d'estat canvien i es poden produir intercanvis d'energia i de matèria amb l'entorn.
Alguns tipus comuns de processos són:
- Procés isobàric : Ocorre a pressió constant.
- Procés isocòric : Es duu a terme a volum constant.
- Procés isotèrmic : Té lloc a temperatura constant.
- Procés adiabàtic : No hi ha intercanvi de calor amb l'entorn.
Les lleis de la termodinàmica i els estats termodinàmics
Les lleis de la termodinàmica són principis fonamentals que governen els estats i processos termodinàmics.
- Llei zero de la termodinàmica: Estableix que si dos sistemes estan en equilibri tèrmic amb un tercer sistema, aleshores estan en equilibri tèrmic entre si. Això vol dir que no hi haurà flux net de calor entre aquests sistemes quan estiguin en contacte entre ells, la qual cosa implica que tots tenen la mateixa temperatura.
- Primera llei de la termodinàmica (conservació de l'energia): Estableix que l'energia no es pot crear ni destruir, només es pot transformar d'una manera a una altra. En termes d'un sistema termodinàmic, el canvi a l'energia interna és igual a la calor afegida menys la feina feta pel sistema.
- Segona llei de la termodinàmica : Introdueix el concepte d' entropia i estableix que en qualsevol procés espontani, l'entropia total del sistema i el seu entorn sempre augmenta. Això vol dir que els processos irreversibles tendeixen a augmentar el desordre.
- Tercera llei de la termodinàmica : Postula que, en apropar-se al zero absolut, l'entropia d'un sistema s'aproxima a un valor mínim, i en alguns casos, pot assolir un valor zero en sistemes perfectament ordenats.
Exemples d'estats termodinàmics:
Aquí teniu diversos exemples d' estats termodinàmics per a diversos sistemes:
Sistema de fluid caloportador en un col·lector solar
Un fluid caloportador, com el glicol, flueix a través d'un col·lector solar tèrmic, aconseguint una temperatura de 120°C (393 K) sota una pressió de 2 atm.
El fluid és utilitzat per transferir l'energia tèrmica absorbida pels col·lectors cap a un intercanviador de calor per escalfar aigua o generar vapor.
Aquest estat descriu el fluid tèrmic escalfat per energia solar en un sistema denergia solar tèrmica.
Tanc d'emmagatzematge de calor solar
Un tanc demmagatzematge denergia tèrmica que conté aigua escalfada a 90°C per energia solar tèrmica sota una pressió de 1.5 atm.
Aquest és un estat comú en sistemes demmagatzematge de calor solar, on laigua calenta sutilitza posteriorment per a calefacció o per generar vapor en una planta solar de concentració (CSP).
Les variables rellevants són la temperatura, la pressió i el volum de l'aigua.
Sistema de vapor generat per energia solar
Vapor d'aigua a 200 °C (473 K) generat mitjançant un camp de col·lectors solars tèrmics que concentren la radiació solar.
El vapor és a 15 atm i és utilitzat per moure una turbina en un sistema de generació delectricitat mitjançant energia solar concentrada (CSP).
Aquí, la radiació solar és la font d'energia per augmentar l'energia interna de l'aigua, convertint-la en vapor que fa feina sobre la turbina.
Sistema dintercanvi de calor amb energia solar
Un sistema on un fluid, com a oli tèrmic, flueix a través de tubs que absorbeixen la radiació solar, aconseguint una temperatura de 300°C i una pressió de 3 atm.
La calor del fluid després es transfereix a un sistema dintercanvi de calor per escalfar aigua i produir vapor. Aquest és un component típic d'una planta solar tèrmica on l'oli tèrmic transporta l'energia solar absorbida.
Sistema refrigerant en un cicle de refrigeració
Un refrigerant, com el R-134a , circula en un cicle de compressió de vapor, utilitzat en un sistema de refrigeració. En una etapa, el refrigerant està en estat de vapor a una temperatura de -10 ° C i sota una pressió de 2 atm després d'haver passat per l'evaporador. Aquest estat descriu el refrigerant en el procés dabsorció de calor de lambient, una aplicació comuna en sistemes daire condicionat i refrigeradors.
Motor de combustió interna
Al cicle d'Otto d'un motor de combustió interna, l'aire i el combustible estan en un cilindre just després de la combustió, a una temperatura de 1500 K, una pressió de 30 atm i un volum petit (prop del volum mínim del cilindre ).
Aquest és un estat clau en el cicle de funcionament del motor, on la barreja d'aire-combustible arriba al punt màxim de temperatura i pressió, cosa que impulsa el pistó.
Sistema d'aire comprimit a una fàbrica
Aire comprimit emmagatzemat en un tanc a 298 K (25 ° C), sota una pressió de 8 atm i amb un volum de 50 litres.
L'aire comprimit es fa servir per alimentar eines pneumàtiques o sistemes de control en una fàbrica. Les variables d‟estat que descriuen l‟aire comprimit són la temperatura, la pressió i el volum.
Sòlid en estat de sublimació
Un bloc de gel sec (diòxid de carboni sòlid) exposat a l'aire ambient a temperatura ambient de 20°C (293 K) i pressió atmosfèrica de 1 atm.
En aquest estat, el gel sec se sublima, passant directament de sòlid a gas, i la massa disminueix amb el temps. Les variables d'estat en aquest sistema inclouen la temperatura, pressió i massa del sòlid/gas, en aquest procés de transició de fase.