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La termodinámica de no equilibrio es una rama de la termodinámica que se ocupa de los sistemas físicos que no están en equilibrio termodinámico pero que pueden describirse en términos de cantidades macroscópicas (variables de estado de no equilibrio) que representan una extrapolación de las variables utilizadas para especificar el sistema en equilibrio termodinámico. La termodinámica de no equilibrio se ocupa de los procesos de transporte y de las velocidades de las reacciones químicas.
Casi todos los sistemas que se encuentran en la naturaleza no están en equilibrio termodinámico, ya que cambian o pueden cambiar con el tiempo, y están sujetos de forma continua y discontinua a flujos de materia y energía hacia y desde otros sistemas y a reacciones químicas. Sin embargo, algunos sistemas y procesos están, en un sentido útil, lo suficientemente cerca del equilibrio termodinámico como para permitir una descripción con precisión útil mediante la termodinámica de no equilibrio conocida actualmente. No obstante, muchos sistemas y procesos naturales seguirán estando siempre muy lejos del alcance de los métodos termodinámicos de no equilibrio debido a la existencia de una dinámica no variacional, en la que se pierde el concepto de energía libre[1].
Termodinámica de no equilibrio para la ingeniería
En línea con la energía interna total, que incluye la posible energía potencial de las variables internas agitadas, se puede introducir la energía térmica interna, que no depende de las variables internas [7]. En las situaciones de equilibrio, la energía total coincide con la energía interna , pero, en las situaciones de no equilibrio, estas cantidades son diferentes.5 Entonces, la ley de conservación de la energía (1) puede reescribirse en la forma
donde se incluye el trabajo del sistema a través de las variables internas. Esta forma del primer principio de la termodinámica demuestra que las influencias externas (trabajo a través de las variables constitutivas, energía térmica y energía química de las partículas) contribuyen a un cambio de la energía interna y a la aparición de las variables internas. Es importante tener en cuenta los procesos de reasignación de energía debido al trabajo de las variables internas de forma explícita. El Segundo Principio de la TermodinámicaEl trabajo relacionado con las variables internas debe ser considerado como un elemento esencial de la descripción. Las variables internas pueden ser agitadas por influencias externas, pero el sistema no puede realizar ningún trabajo positivo a través de las variables internas, lo que significa
Revista de termodinámica de no equilibrio
La termodinámica de no equilibrio es una rama de la termodinámica que se ocupa de estudiar los sistemas termodinámicos dependientes del tiempo, las transformaciones irreversibles y los sistemas abiertos. La termodinámica de no equilibrio, a diferencia de la termodinámica de equilibrio, tiene más éxito en el estudio de los estados estables, en los que hay fuerzas, flujos y producción de entropía distintos de cero, pero sin variación temporal. Uno de los primeros sistemas de no equilibrio que se descubrió fue el oscilador químico de Belousov-Zhabotinsky.
Hay muchos ejemplos de sistemas estacionarios de no-equilibrio, algunos muy simples, como un sistema confinado entre dos termostatos a diferentes temperaturas o el flujo ordinario de Couette, un fluido encerrado entre dos paredes planas que se mueven en direcciones opuestas y que definen condiciones de no-equilibrio en las paredes. La acción del láser es también un proceso termodinámico de no equilibrio. Aquí se mantiene una fuerte diferencia de temperatura entre dos grados de libertad moleculares (con láser molecular, movimiento molecular vibracional y rotacional). La amortiguación de las perturbaciones acústicas o las ondas de choque son procesos no estacionarios de no equilibrio.
Significado de no equilibrio
No se puede exagerar la importancia de la termodinámica, en particular de su Segundo Principio, para todas las ramas de la ciencia en las que intervienen sistemas con un número muy elevado de partículas. Este libro ofrece una visión panorámica de la termodinámica de no equilibrio. Quizá los dos aspectos más atractivos del equilibrio termodinámico sean su estabilidad y su independencia de las particularidades del sistema en cuestión. ¿Existe un equivalente para la termodinámica de no equilibrio? Muchos investigadores han intentado describir dicha estabilidad de la misma manera que el Segundo Principio describe la estabilidad del equilibrio termodinámico, y han fracasado. La mayoría de ellos invocaron la entropía, su tasa de producción o alguna versión modificada de la misma. Sin embargo, en sus esfuerzos, esos investigadores han encontrado muchos criterios de estabilidad útiles para los estados alejados del equilibrio. Estos criterios suelen adoptar la forma de principios variacionales, en términos de minimización o maximización de alguna cantidad. El objetivo de este libro es discutir estos principios variacionales destacando el papel de las cantidades macroscópicas. Este libro está dirigido a un público más amplio que el que suele estar expuesto a los criterios descritos, es decir, a los estudiantes de grado en STEM, así como a los habituales profesionales interesados e invertidos.
