Un estado es un conjunto de propiedades
La termodinámica siempre empieza con una pregunta: hasta dónde miramos. Eliges un recipiente delante de ti y llamas sistema a su interior. Todo lo de fuera es el entorno, y la línea que los separa es la frontera. Empieza cambiando, con tu propia mano, qué puede cruzar esa frontera: solo calor, también materia, o nada en absoluto. Cómo trazas la frontera es lo que fija el alcance del análisis. Una vez fijado el sistema, tienes que decir en qué estado está, y un estado nunca se reduce a un solo número. La presión, el volumen y la temperatura tienen que estar juntos para que el estado del sistema quede determinado. Un estado, dicho de otro modo, es un conjunto de propiedades reunidas a la vez.
Has elegido un recipiente y tomado su interior como el sistema. Ahora, lo que pueda pasar por la frontera decide qué tipo de sistema tienes. Pulsa los botones. Un sistema cerrado deja entrar y salir el calor, pero retiene la materia dentro, como el agua que hierve en una olla tapada. Un sistema abierto deja viajar también a la materia, igual que el vapor escapa de una tetera destapada. Un sistema aislado no deja pasar ni calor ni materia; piensa en un termo perfecto. El mismísimo recipiente se analiza de maneras completamente distintas según lo que acuerdes que la frontera permite. Por eso un problema de termodinámica siempre empieza trazando la frontera. El cilindro del motor de un coche es un ejemplo real: con las válvulas cerradas durante la compresión es un sistema cerrado, pero en cuanto las válvulas se abren para expulsar los gases de escape y admitir aire fresco, se vuelve un sistema abierto.
Con el sistema fijado, toca decir en qué estado está. Arrastra la temperatura hacia arriba. Las partículas chocan con más fuerza y el color brilla más caliente. Al mismo tiempo la barra de presión que está al lado sube, mientras el volumen se queda quieto porque el recipiente es rígido. Aquí está la clave: un solo número no basta para enunciar un estado. La temperatura por sí sola no te dice todo sobre el sistema. La presión y el volumen también tienen que estar antes de que este estado quede determinado. Un estado es un conjunto de varias propiedades sostenidas todas a la vez. Eso sí, no puedes fijar estas propiedades del todo a tu antojo: para una cantidad fija de gas, en cuanto eliges dos como la presión y la temperatura, el volumen restante queda ya determinado en consecuencia.
La forma más limpia de reunir las propiedades es convertir cada una en un eje. Pon el volumen V en el eje horizontal y la presión P en el vertical, y el estado del sistema se vuelve un único punto en este plano. Arrastra el punto. Donde quede te dice la P y la V de ese instante. Un estado, un punto. Esta imagen es el mapa que se usa a lo largo de toda la termodinámica. Palabras que encontrarás más adelante, isotermo, isóbaro, adiabático, son al final solo historias sobre dónde está el punto en este plano y cómo se mueve. Dondequiera que esté el punto, guarda solo el estado de este instante y no lleva memoria de cómo llegó el sistema hasta ahí, y esa falta de historia es justo lo que permite que un solo punto represente todo un estado.
Cuando el sistema cambia de un estado a otro, lo llamamos un proceso. En el diagrama, un proceso es el camino que toma el punto de un lugar a otro. Arrastra el control para avanzarlo. El punto viaja del estado 1 al estado 2, trazando una línea a su paso. Tener el mismo inicio y final no hace iguales a dos procesos. La ruta tomada, todo el trazo, es el proceso. Por ahora hay un solo camino, pero muchos caminos distintos pueden unir los mismos dos puntos. Y que el calor y el trabajo intercambiados dependan de qué camino tomes es algo que encontrarás pronto. Igual que la distancia en línea recta entre dos pueblos es fija pero el esfuerzo que gastas depende de si cruzas la montaña o la rodeas, un mismo inicio y final aún dejan que el camino que tomes decida el calor y el trabajo intercambiados.
Pero para describir un estado con un solo punto hace falta una promesa: las propiedades en todo el sistema deben ser uniformes y ya no cambiar. Esto se llama equilibrio. Calienta de golpe solo un lado. Al principio la izquierda está caliente y la derecha fría, así que no puedes hablar del sistema con un solo número llamado temperatura. Deja pasar el tiempo y el calor se reparte, asentándose poco a poco hacia una única temperatura uniforme. Solo cuando alcanza el equilibrio un valor único como P o T representa a todo el sistema. El punto de estado que dibujamos es siempre un punto puesto suponiendo este equilibrio. Por eso un proceso dibujado como una curva suave en el plano P-V es en realidad una idealización, a la que el sistema solo se acerca cuando el cambio ocurre lo bastante despacio para mantenerse casi en equilibrio en cada instante.