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En termodinámica puede definirse el equilibrio de las siguientes maneras:
Para que un sistema aislado, se encuentre en equilibrio, es necesario que no exista un cambio de sus propiedades macroscópicas a través del tiempo.
Para un sistema no aislado, el equilibrio termodinámico requiere además el cumplimiento de una condición adicional, siendo esta que si el sistema se aisla de todo contacto con su ambiente, sus propiedades tampoco sufran ningún cambio. Si para un sistema de este tipo se satisface la primera condición, más no la segunda, se dice que se encuentra en estado estacionario.
Para que en un sistema exista equilibrio termodinámico deben cumplirse necesariamente tres clases de equilibrio más específicas:
- Equilibrio mecánico: Se considera que un sistema se encuentra en equilibrio mecánico cuando la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él y de todas sus fuerzas internas es igual a cero, por lo tanto no se producen aceleraciones sobre el sistema ni dentro del mismo.
- Equilibrio material: Para que un sistema se considere en equilibrio material no deben tener lugar reacciones químicas que cambien la composición neta del sistema ni fuerzas de otro tipo que causen el desplazamiento o cambio de concentracion de las sustancias que lo componen.
- Equilibrio térmico: El equilibrio térmico en un sistema se determina cuando no existen gradientes de temperatura dentro del mismo que puedan producir el flujo de energía en forma de calor a través del sistema. De aqui se genera la condición adicional requerida para que un sistema no aislado sea considerado en equilibrio termodinámico, ya que en esta clase de sistema puede existir una transferencia de calor a través de sus fronteras desde o hacia el ambiente si existe una diferencia de temperatura.
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.
Referencias
- Levine, Ira (1991). «Fisicoquímica». Tercera Edición, España: McGraw-Hill. ISBN: 84-7615-561-1.
- 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.