Termodinámica de no equilibrio

La termodinámica de no equilibrio es una rama de la termodinámica que estudia sistemas que no están en equilibrio termodinámico. A diferencia de la termodinámica clásica, que generalmente asume que los sistemas estudiados están en equilibrio o cerca de él, la termodinámica de no equilibrio se aplica a situaciones más generales, teniendo en cuenta el flujo de materia y energía a lo largo del tiempo.

Introducción

En la termodinámica clásica, los sistemas se estudian típicamente cuando están en equilibrio. En equilibrio, las propiedades macroscópicas de un sistema no cambian con el tiempo. Sin embargo, muchos procesos del mundo real están lejos del equilibrio, como las reacciones químicas, los procesos biológicos y la transferencia de calor. La termodinámica de no equilibrio proporciona herramientas y conceptos para estudiar dichos procesos.

Conceptos básicos de la termodinámica discontinua

Balance vs. desequilibrio

Una forma común de entender el equilibrio es considerar una taza de café caliente dejada en una habitación. Al principio, el café está a una temperatura más alta que el aire circundante, y con el tiempo, pierde calor hasta alcanzar la misma temperatura que la habitación. Cuando las temperaturas se igualan y no hay más intercambio neto de calor, se dice que el sistema está en equilibrio.

En contraste, las condiciones de no equilibrio se pueden observar cuando se agita continuamente el café o cuando se le aplica calor. Estas son situaciones dinámicas donde las propiedades macroscópicas cambian constantemente.

Procesos irreversibles

La termodinámica de no equilibrio a menudo se ocupa de procesos irreversibles. Estos son procesos que no pueden revertirse por sí solos. Por ejemplo, el calor fluye de un objeto caliente a uno frío sin trabajo externo; este proceso es irreversible porque la reversa no ocurre naturalmente. Para hacer que el calor fluya de un objeto frío a uno caliente, necesitamos trabajo externo (p. ej., un refrigerador).

Fuerzas y flujos termodinámicos

Un concepto esencial en la termodinámica de no equilibrio es la relación entre las fuerzas termodinámicas y los flujos. Las fuerzas termodinámicas son gradientes, como gradientes de temperatura, gradientes de concentración o gradientes de potencial químico, que impulsan cambios en un sistema. Los flujos representan el flujo de cantidades como el calor o la materia en respuesta a estas fuerzas.

J = L * X

Aquí, J es el flujo, X es la fuerza termodinámica y L es el coeficiente de incidencia, una constante de proporcionalidad que describe la respuesta del sistema.

Termodinámica lineal de no equilibrio

La termodinámica lineal de no equilibrio es un campo que se centra en sistemas donde las fuerzas y los flujos están linealmente relacionados, lo cual es una aproximación útil cerca del equilibrio. En sistemas lineales, el principio de superposición se aplica, haciendo el análisis matemático más manejable.

Aplicaciones en química física

Reacciones químicas

Considere una reacción química simple donde los reactivos A y B se combinan para formar el producto C:

A + B → C

En un estado de no equilibrio, las concentraciones de A, B y C cambian a lo largo del tiempo. Las tasas de estos cambios pueden describirse mediante la cinética de reacción. La termodinámica de no equilibrio proporciona información sobre cómo los cambios en las condiciones externas, como la temperatura o la presión, afectan la tasa y dirección de la reacción.

Difusión

Un ejemplo cotidiano de difusión como proceso de no equilibrio es la propagación de tinta en agua. Inicialmente localizada, las moléculas de tinta se mueven aleatoriamente debido al movimiento térmico, lo que lleva a la difusión. Este proceso es impulsado por el gradiente de concentración y puede estudiarse usando las leyes de difusión de Fick.

En la ilustración anterior, la tinta se dispersa en agua, ilustrando la difusión impulsada por un gradiente de concentración.

Convección

La convección es el movimiento masivo de grupos de moléculas dentro de fluidos (gases y líquidos) y es otro proceso de no equilibrio. Es esencial en situaciones donde se necesita transferir calor en el fluido, como en el agua hirviendo. Aquí, se establecen corrientes de convección, que transfieren el calor de manera eficiente lejos de la fuente de calor.

Esta ilustración visual muestra una célula de convección, donde el calor hace que el fluido se mueva en un patrón circular, permitiendo una transferencia eficiente de calor.

Producción de entropía

En sistemas de no equilibrio, la producción de entropía es constante, lo cual contrasta con los sistemas en equilibrio donde la entropía es máxima y la producción se detiene. La segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía en un sistema aislado tiende a aumentar, lo cual es coherente con muchos procesos de no equilibrio.

Considere la fusión del hielo en aire abierto; cuando esto sucede, no hay intercambio neto de calor con el entorno, la entropía del agua (sistema) y el aire (entorno) aumenta, indicando procesos irreversibles impulsados por gradientes.

Teorema de Prigogine

Ilya Prigogine amplió la comprensión de los sistemas de no equilibrio a través de su teorema sobre la producción mínima de entropía, que establece que para los sistemas lineales cerca del equilibrio, la tasa de producción de entropía es mínima. Este principio ayuda a entender y predecir la dirección de los procesos en la termodinámica de no equilibrio.

Sistemas biológicos y termodinámica de no equilibrio

Los sistemas vivos son ejemplos ideales de sistemas de termodinámica de no equilibrio. Son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno, permitiendo la evolución y el mantenimiento lejos del equilibrio.

Metabolismo

La vía metabólica consiste en una serie de reacciones bioquímicas que tienen lugar dentro de la célula, requiriendo una entrada constante de energía y masa. La moneda energética ATP se produce y consume, lo que impulsa estos procesos y mantiene un estado lejos del equilibrio.

Homeostasis

La homeostasis es un principio biológico mediante el cual los sistemas vivos mantienen condiciones internas estables a pesar de los cambios externos. Esta regulación asegura que variables como la temperatura, el pH y las concentraciones de iones estén controladas, demostrando la termodinámica de no equilibrio en acción.

La termodinámica de no equilibrio puede utilizarse para analizar estos procesos altamente regulados y costosos en energía y para modelar la efectividad con la que los organismos enfrentan variaciones ambientales.

Conclusión

La termodinámica de no equilibrio amplía el alcance de la termodinámica tradicional al tener en cuenta la naturaleza dinámica de los procesos del mundo real. Al comprender y aplicar los principios de la termodinámica de no equilibrio, los científicos pueden describir y predecir mejor el comportamiento de una amplia variedad de sistemas, desde sistemas físicos simples hasta organismos biológicos complejos.

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