Estado de equilibrio termodinámico

En termodinámica, se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio de estado cuando está sometido a unas determinadas condiciones de contorno, (las condiciones que le imponen sus alrededores). Para ello ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio mecánico y equilibrio químico.

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Definición formal

El estado local de un sistema termodinámico en equilibrio queda determinado por los valores de sus cantidades y parámetros intensivos tales como: la presión, la temperatura, etc. Específicamente, el equilibrio termodinámico se caracteriza por tener un valor mínimo en sus potenciales termodinámicos, tales como la energía libre de Helmholtz, es decir, sistemas con temperatura y volumen constantes:

A = U – TS

O la energía libre de Gibbs, es decir, en sistemas caracterizados por tener la presión y la temperaturas constantes:

G = H – TS

El proceso que gobierna un sistema hacia el equilibrio termodinámico se denomina termalización. Un ejemplo de este tipo de procesos es el que tiene lugar en un sistema de partículas interactuantes y que se abandona a sus propias influencias. Un sistema tal y como este intercambia enegía/momentum entre las partículas que lo constituyen hasta que las variables macroscópicas que definen el sistema permanecen invariables en el tiempo.

La termodinámica clásica trata, casi siempre, de transformaciones entre estados de equilibrio. La palabra equilibrio implica un estado que ha repartido sus variables hasta que no hay cambios. En el estado de equilibrio no hay potenciales sin balancear (o fuerzas perturbadoras) con el sistema. Un sistema se dice que ha llegado al equilibrio termodinámico cuando no experimenta cambios al haber sido aislado de su entorno.

Repaso del equilibrio

• Dos sistemas se dicen que están en equilibrio térmico cuando el valor de sus temperaturas es el mismo.

• Dos sistemas se dicen que están en equilibrio mecánico cuando el valor de sus presiones es el mismo.

• Dos sistemas se dicen que están en equilibrio difusivo cuando el valor de sus potenciales químicos es el mismo.

Referencias

• Mandl, F. (1988). Statistical Physics, Second Edition, John Wiley & Sons.
• Griem, Hans R. (2005). Principles of Plasma Spectroscopy (Cambridge Monographs on Plasma Physics). New York: Cambridge University Press.