Concepto de equilibrio termodinámico

a. Concepto de equilibrio termodinámico. termodinámico.

Equilibrio termodinámico es cuando todas las propiedades macroscópicas se mantienen sin cambio al pasar el tiempo.

El equilibrio termodinámico se puede presentar en dos condiciones:

1. Cuando un sistema se encuentra encuentra aislado se encuentra en equilibrio equilibrio si sus propiedades macroscópicas permanecen constantes al pasar el tiempo.

2. Y cuando un sistema sistema no aislado se puede decir decir que está en equilibrio equilibrio si se cumplen dos condiciones siguientes: a. Las propiedades macroscópicas del sistema permanecen permanecen constantes a lo largo del tiempo.

b. Cuando se suprime suprime el contacto entre entre el sistema y sus alrededores no hay cambio alguno en las propiedades del sistema.

Para que exista un equilibrio termodinámico el sistema debe de tener:

a. Equilibrio mecánico: Es cuando las fuerzas fuerzas del interior y las fuerzas que actúan sobre el sistema están equilibradas.

b. Equilibrio de masa: Es cuando no existen reacciones químicas globales en el sistema, además no debe haber trasferencia de materia desde una parte del sistema a otra; las concentraciones de las especies químicas en distintas zonas del sistema son constantes con el tiempo.

c. Equilibrio térmico: Es mantener constante la temperatura entre el sistema y sus alrededores.

El estado de un sistema termodinámico se define especificando el valor de sus propiedades termodinámicas para así poder determinar si el sistema se encuentra en un equilibrio termodinámico.

Para que un sistema se encuentre en equilibrio termodinámico se emplea la segunda ley de la termodinámica la cual habla de la entropía. Esta ley establece que cualquier proceso espontaneo debe ir acompañado de un aumento de la entropía total, esto implica una condición para el equilibrio ya que un sistema en equilibrio no puede experimentar un cambio espontaneo.

Suponga que un sistema se encuentra en equilibrio en el estado A y un cambio infinitesimal lo lleva al estado B, en donde aún se encuentra en equilibrio. El cambo A

B no incluye un aumento en la entropía total ya que de lo

contrario el cambio seria espontaneo y el equilibrio no existiría en A. por el mismo argumento el cambio B

A deben tener las mismas entropías

totales. Por lo tanto la condición para el equilibrio es:                

La posición de equilibrio debe corresponder a un estado de entropía total máxima ya que la entropía total t otal aumenta en cualquier proceso espontaneo.

Es más conveniente definir el equilibrio haciendo referencia a cambios que se producen únicamente en el sistema, sin considerar de manera explícita al medio ambiente. Supóngase que el sistema y los alrededores se encuentran a la misma temperatura.              

Figura 1. Condiciones para el equilibrio químico: El sistema se desplaza hacia un estado de entropía total máximo.

P.E.

P.E

EQUILIBRIO

COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA

P.E: Proceso espontaneo.

Supóngase también que ocurre un proceso espontaneo en el sistema y que una cantidad de calor dq  sale de este y entra a los alrededores puede expresarse como   y es igual al cambio de calor   en el sistema.

           

Se ha llegado a un punto muy importante acerca de   , que surge debido a que los alrededores son muy vastos. Como resultado de esto, los alrededores no experimentan cambio de volumen cuando se transfiere calor a ellos y por lo tanto  es igual al cambio   de energía interna que es función de estado. Por lo tanto no importa que el calor   entre los alrededores de  manera reversible o irreversible, el calor  todavía es igual al aumento de

energía de los alrededores.               

El cambio de entropía en los alrededores es: 





  



Pero      y      ; entonces: 





   



En vez de escribir la ecuación 1 se puede escribir la condición de equilibrio: 



 





   



En la ecuación 7 se expresa todo en términos del sistema por lo que ya no se empleará el supra índice sistema y la ecuación se expresará así:  

 

          

Otra alternativa es escribir:              