Sistema cerrado en ingeniería química

El concepto de sistema cerrado es uno de los más importantes en áreas de estudio dentro de la ingeniería química, como la termodinámica, los fenómenos de transporte, entre otros. En términos más específicos, dentro de los estudios de fenómenos físicos y químicos, se puede decir que un sistema cerrado es aquel que no interactúa con elementos ubicados fuera de dicho sistema.

Ejemplo clásico de sistema cerrado
Los jardines encerrados son un ejemplo clásico de sistema cerrado ya que hay intercambio de energía con los alrededores pero no de materia. Imagen de florsandgo

En este artículo describiremos el concepto de sistema cerrado y el concepto de sistema aislado bajo la óptica de la ingeniería química, y también veremos algunos ejemplos de la vida cotidiana sobre este tipo de sistemas.

Tabla de contenidos
  1. Definición de sistema cerrado en ingeniería química
    1. Ejemplos de sistemas cerrados
    2. Sistema aislado
    3. Característica de un sistema cerrado

Definición de sistema cerrado en ingeniería química


Diferencia entre sistema abierto, sistema cerrado y sistema aislado
Diferencia entre sistema abierto, sistema cerrado y sistema aislado. Imagen de slideserve

Para fines de estudio de ingeniería se toma como referencia la definición termodinámica de sistema cerrado, la cual es la siguiente:

Un sistema cerrado es aquel sistema en donde existe un intercambio de energía con los alrededores. Sin embargo, no experimenta intercambio de masa con los alrededores.

De dicha definición, se puede deducir que el sistema cerrado es un grupo o sistema de elementos que se encuentran interrelacionados entre sí y que intercambian energía con elementos fuera de dicho sistema. La energía puede entrar o salir del sistema, sin embargo, la materia se mantiene invariable dentro del sistema, ya que no se presenta intercambio de energía con el ambiente.

Ejemplos de sistemas cerrados

Existen muchos ejemplos cotidianos de sistema cerrado, entre los cuales podemos destacar los siguientes:

  • Los jardines encerrados en tarros de vidrio (terrarios eternos). Estos presentan intercambio de energía con el ambiente para realizar fotosíntesis, pero no hay intercambio de materia a través del vidrio.
  • Los aviones. Estos expulsan gases al aire, sin embargo, se encuentran cerrados para mantener en su interior las condiciones estables para los pasajeros.
  • Los globos intercambian energía, pero la materia dentro de ellos es la misma ya que no hay intercambio de energía con el ambiente.
  • La baterías intercambian energía con el medio ambiente, más no materia.

Sistema aislado

Según la termodinámica, un sistema aislado es aquel sistema que no experimenta ningún tipo de interacción con los alrededores, quedando así completamente aislado, siendo sistemas completamente autónomos de lo que sucede fuera de sus límites.

Por supuesto, no hay ningún tipo de intercambio de materia o de energía, por lo tanto, este tipo de sistemas presentan una condición ideal, la cual, se puede recrear en la realidad utilizando equipos como las jarras de Dewar, las cuales impiden el intercambio de energía con el medio ambiente. Un sistema aislado es un sistema cerrado que limita el intercambio de energía, siendo ésta otra forma de verlos.

Este tipo de sistemas aislados son comúnmente utilizados como suposiciones para realizar estudios y plantear teorías, ya que simplifican enormemente los cálculos y variables a considerar por su característica de no permitir intercambio de materia o energía.

Característica de un sistema cerrado

Definición de sistemas termodinámicos
Definición de sistemas termodinámicos. Imagen de examhill

La principal característica de un sistema cerrado es la siguiente:

Las ecuaciones que rigen a un sistema cerrado, describen el movimiento en el interior de dicho sistema. Entonces el sistema cerrado sólo puede depender de las variables y factores contenidos en el sistema.

En un sistema cerrado, cualquier cambio en su energía interna, por más pequeño que éste sea, se debe al balance de transferencia de calor y al trabajo realizado. Cabe destacar, que si un sistema aumenta su energía en un proceso termodinámico, los alrededores (por ende) pierden energía. Entonces, se puede describir la variación de energía en los sistemas cerrados a partir de la primera ley de la termodinámica, de la siguiente manera:

Ecuación de la energía para un sistema cerrado

Donde:

  • U: Energía interna
  • Q: Calor W: Trabajo




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