¿Qué es un sistema?, desde el punto de vista termodinámico

La termodinámica es una disciplina científica compleja, cuyo objeto de estudio ha ido evolucionando sensiblemente mucho más allá de lo que pensaban los pioneros en su investigación. Su origen hay que situarlo en el esfuerzo por comprender y perfeccionar el comportamiento de las máquinas de vapor, trabajando con magnitudes tales como calor, trabajo, presión, eficiencia, etc.; con el tiempo, su evolución nos ha llevado a derroteros muy diferentes, como los que tienen que ver con la entropía, la dinámica de sistemas, el azar, la evolución del universo, el fenómeno vida, etc. Voy a definir aquí unos pocos conceptos clave, que son útiles para comprender mejor los sucesivos pasos que vayamos dando. Para ello, me he apoyado en el interesante discurso de Pedro Gómez-Esteban, en su no menos interesante blog ‘El tamiz’.

Un concepto clave en la termodinámica es el de sistema. Se puede definir como aquel conjunto de elementos bien definidos, distinguibles del entorno (aquella parte que no forma parte del sistema). Un sistema puede ser desde un motor, hasta un océano, o incluso el mismo universo en su totalidad. Esto que parece algo evidente y fácil de establecer, cuanto menos a nivel teórico, en la práctica no lo es tanto, siendo difícil dibujar sus fronteras, es decir, determinar con claridad dónde acaba el sistema y comienza el entorno. Sólo en la medida en que podamos establecer esa diferencia rigurosamente, podremos medir los intercambios que puedan haber de masa y energía entre nuestro sistema y el entorno, que es lo que nos interesa desde esta disciplina.

Se distinguen tres tipos de sistemas: abiertos, cerrados y aislados. El sistema abierto es aquél que intercambia masa y energía con el entorno; por ejemplo, un río. Es en estos tipos de sistemas en los que es más difícil identificar sus límites y estudiarlos con precisión. Por ejemplo, en nuestro río, ¿forma parte del sistema su lecho, con el material del que esté formado?, ¿o la vegetación o la fauna que se encuentra en él o en sus lindes?, ¿o el clima circundante, el agua evaporada, la lluvia, etc.? Todo esto se puede complicar mucho. A la hora de pensar en un río, todos somos capaces de imaginárnoslo con facilidad, pero a la hora de identificarlo para estudiarlo científicamente (termodinámicamente), la cosa se complica. Ciertamente, los sistemas reales son siempre sistemas abiertos: no existe ningún sistema real que no intercambie masa o energía con su entorno (salvo el universo considerado en su totalidad). Pero, como suele ocurrir, se pueden hacer simplificaciones más manejables teóricamente y que, en determinadas condiciones, no suponen una gran desviación del comportamiento real. El segundo tipo de sistemas son los cerrados, los cuales sólo intercambian energía con el entorno, no masa. Se pueden definir con un poco más de claridad debido a que su masa se mantiene constante: podemos hablar de un recipiente cerrado con agua dentro, por ejemplo. Estos sistemas pueden ser escogidos de modo que se aproximen a los sistemas reales, y son más fáciles de investigar, sobre todo en aquellos sistemas reales cuyo intercambio de masa con el entorno es reducida, o muy lenta. Por último, tenemos el sistema aislado, que no intercambia ni masa ni energía con el entorno, no intercambia nada. Lo cierto es que no existe ningún sistema aislado, a excepción quizás del universo considerado en su totalidad. Algo que nos puede ayudar a pensar lo conectado que está todo con todo, la respectividad intrínseca de todo con todo, también de nosotros con todo. 

Una vez definido el sistema con el que se va a trabajar, y establecidas las condiciones en que se va a hacer, interesa concretar qué variables son aquellas en las que nos vamos a fijar, sobre las que va a recaer nuestra atención. La mayoría de ellas nos son conocidas, aunque su sentido físico es fácil que se nos escape: temperatura, presión, volumen, densidad, entropía, etc. Como es fácil suponer, cuantas más variables atendamos mejor definido estará el sistema, aunque se nos complicará su estudio.

Lo que trata de hacer la termodinámica es conocer el funcionamiento del sistema, para poder preverlo y perfeccionarlo. Esto y no otra cosa es lo que hicieron de modo más o menos intuitivo los pioneros de nuestra disciplina. En un momento dado, el sistema presentará un determinado valor para cada una de las variables, el conjunto de todo lo cual definirá el estado del sistema en ese momento. En otro momento posterior, seguramente las variables del sistema arrojarán otros valores, siendo menester estudiar el proceso que ha llevado del estado primero al segundo. También puede ocurrir que arrojen el mismo valor que el que poseían inicialmente: en este caso, o bien no ha ocurrido nada y el sistema ha devenido en el tiempo sin ningún cambio, o bien ha tenido ciertas modificaciones con la circunstancia de que, resultado de todas ellas, ha vuelto a los valores iniciales, resultado de todo lo cual ha propiciado que algo cambie en su entorno. Habrá que ver qué es lo que ha pasado. En el primer caso se dice que se ha dado un proceso termodinámico; en el segundo, no se ha dado nada; en el tercero, se dice que se ha dado un ciclo termodinámico.

Para estudiar tanto los estados, como los procesos y los ciclos, interesa medir las variables, antes y después. Esto se realiza mediante los correspondientes instrumentos de medida (como los termómetros para la temperatura). Ciertamente, al medir la temperatura de un cuerpo (de un sistema) lo estamos modificando, pues hay una transmisión de calor del termómetro al líquido, por ejemplo; pero se supone que la inercia del termómetro es muy pequeña y su afección al cuerpo, despreciable. También nos puede interesar que, en un momento dado, una variable del sistema se encuentre siempre a un valor concreto, por ejemplo, a una temperatura de 140 ºK; lo que se hace aquí es emplear una fuente, un elemento que presenta una inercia muy elevada, tanta como para que, cuando se pone en contacto con nuestro sistema, no se vea modificado (todo lo contrario al instrumento de medida), y haga que el sistema adopte el valor de la fuente para dicha magnitud. Lo contrario a una fuente sería un sumidero, poco empleado en termodinámica, quizá más en hidráulica.