Sistema y estado termodinámico

Elige un recipiente y toma su interior como sistema, y qué puede cruzar la frontera decide ahora el tipo de sistema. Pulsa el botón y un sistema cerrado deja cruzar el calor pero no la materia, como el agua que hierve en una olla con la tapa puesta. Un sistema abierto deja cruzar también la materia, como el vapor que sale de un hervidor con la tapa abierta, y un sistema aislado no deja pasar ni calor ni materia, la imagen de un termo perfecto. El mismo recipiente da un análisis del todo distinto según cómo acuerdes la frontera, así que un problema de termodinámica empieza siempre por trazar esa línea. El cilindro de un motor de coche es un sistema cerrado en el instante de la compresión con las válvulas cerradas, cuando la materia no puede cruzar, y se vuelve un sistema abierto en el instante en que una válvula se abre y el escape sale mientras entra aire nuevo.

Con el sistema elegido, toca decir en qué estado está ahora. Sube la temperatura y las partículas chocan con más fuerza y el color se pone al rojo, y aunque el recipiente es rígido y el volumen se queda igual, la barra de presión de al lado se llena a la vez. El punto es que un solo número no basta para nombrar un estado. Decir solo la temperatura no cuenta todo sobre el sistema, y la presión y el volumen tienen que estar también antes de que este estado quede fijado, así que un estado es un haz de varias propiedades reunidas de una vez. No puedes fijar esas propiedades cada una a tu gusto, y para una cantidad fija de gas, una vez fijadas dos como la presión y la temperatura, el volumen que queda ya queda fijado con ellas.

La forma más limpia de reunir las propiedades es hacer de cada una un eje. Pon el volumen V en el eje horizontal y la presión en el vertical, y el estado del sistema es un punto en este plano, y arrastrar el punto hace que ese sitio diga la presión y el volumen de ese instante. Un punto por un estado es el mapa que la termodinámica usa de cabo a rabo. Las palabras que vienen después, isoterma o isóbara o adiabática, son al final una historia de dónde se sienta el punto en este plano y cómo se mueve. Esté donde esté el punto, no recuerda nada de cómo llegó el sistema y guarda solo el estado de este instante, así que un estado se puede mostrar entero como un punto.

Un cambio del sistema de un estado a otro se llama un proceso, y en el dibujo un proceso es el camino que el punto recorre de un sitio a otro. Arrastra el control hacia delante y el punto se mueve del estado 1 al estado 2, dibujando una línea. El mismo inicio y el mismo final no hacen el proceso igual, y la traza entera de qué camino se tomó es el proceso. Por ahora solo hay un camino, pero varios caminos pueden unir los mismos dos puntos, y qué camino tomas cambia el calor y el trabajo intercambiados, algo que vas a encontrar pronto. La distancia recta entre dos pueblos está fijada, y aun así el esfuerzo difiere si cruzas la montaña o das la vuelta, y del mismo modo el mismo inicio y final cambian el calor y el trabajo según el camino.

Para nombrar un estado con un punto hace falta un acuerdo. Las propiedades de todo el sistema tienen que ser uniformes y ya no cambiar, y esto se llama equilibrio. Calienta de golpe solo un lado y al principio la izquierda está caliente y la derecha fría, así que no puedes nombrar el sistema con un solo número llamado temperatura, y al pasar el tiempo el calor se reparte y se asienta hacia una sola temperatura uniforme. Solo al llegar al equilibrio un valor como T representa a todo el sistema, y el punto de estado que dibujamos es siempre un punto tomado con ese equilibrio por delante. Así un proceso dibujado como una curva suave en el plano P-V es de verdad un ideal, y se acerca a esa curva solo cuando el cambio es muy lento y el sistema se queda casi en equilibrio en cada instante.