Sistemas termodinámicos y entorno: la identificación que define todo el ejercicio

Resumen: Cómo identificar correctamente el sistema termodinámico y su entorno en ejercicios reales de examen. Errores típicos, criterio del corrector y claves conceptuales.

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1. Introducción conceptual breve

En muchos ejercicios de termodinámica, los cálculos están bien planteados y las fórmulas son correctas, pero el resultado es incorrecto desde el comienzo. El problema no suele estar en la cuenta, sino en una decisión previa que no siempre se explicita: qué se considera sistema y qué se considera entorno.

Esta identificación no es decorativa ni “teórica”. Define los signos del trabajo, del calor, la interpretación del proceso y, en muchos casos, si una ecuación se puede aplicar o no.

2. Concepto físico bien pensado

En termodinámica, se llama sistema a la porción del universo que se decide estudiar. Todo lo que no forma parte del sistema se denomina entorno.

Definiciones fundamentales:

• Sistema: porción del universo que se elige para estudiar. Es la parte sobre la cual se analizan los intercambios de energía y los cambios de estado.
• Entorno: todo aquello que no forma parte del sistema, pero que puede interactuar con él. Incluye recipientes, paredes, pistones, aire exterior y cualquier objeto externo relevante.
• Frontera: límite real o imaginario que separa el sistema del entorno. A través de la frontera pueden producirse intercambios de energía (calor y/o trabajo), y en algunos casos de materia.

Estas tres nociones no son independientes: definir el sistema implica automáticamente definir el entorno y la frontera. Si el sistema cambia, también cambia qué se considera entorno y cómo se interpreta cada intercambio energético.

La clave es entender que:

• El sistema no viene dado por el ejercicio.
• El sistema es una decisión conceptual del estudiante.
• Las magnitudes termodinámicas (calor, trabajo, energía interna) se definen siempre respecto del sistema.

Por ejemplo, en una situación con un gas dentro de un cilindro:

• El gas puede ser el sistema.
• El pistón, las paredes y el aire exterior pasan a ser el entorno.

Si se cambia el sistema, cambian las interpretaciones físicas, aunque la situación material sea la misma.

3. Error típico de examen

El error más frecuente es identificar el sistema de manera implícita y cambiante a lo largo del ejercicio. Esto suele aparecer de dos formas:

• Hablar del trabajo “hecho por el gas” y luego usar una expresión como si el trabajo fuera “hecho sobre el gas”.
• Aplicar el Primer Principio sin haber aclarado desde qué punto de vista se analiza el intercambio de energía.

Otro error habitual es considerar como sistema “todo lo que aparece en el dibujo”, sin discriminar qué parte es realmente relevante para el análisis energético.

Desde el punto de vista del corrector, estos errores no son de cálculo: son errores conceptuales de base.

4. Cómo pensarlo correctamente

Antes de escribir cualquier ecuación, conviene hacerse una pregunta concreta:

¿Qué parte del fenómeno quiero estudiar energéticamente?

Una vez elegido el sistema, todo se ordena alrededor de esa decisión:

• El calor es energía que entra o sale del sistema.
• El trabajo es energía que el sistema entrega o recibe a través del entorno.
• La energía interna es una propiedad exclusiva del sistema.

Un criterio práctico muy usado en exámenes es:

• Si hay un gas que se comprime o expande, el sistema suele ser el gas.
• Si hay una reacción química en un recipiente, el sistema suele ser la mezcla reactiva.
• Si se analiza un intercambio térmico, el sistema debe ser claramente una de las sustancias involucradas.

Esto no es una regla absoluta, pero sí una guía que evita errores graves.

5. Qué espera el corrector

En una evaluación escrita, el corrector espera ver que el estudiante:

• Identifica el sistema de forma coherente.
• Mantiene esa elección durante todo el ejercicio.
• Interpreta correctamente los signos de calor y trabajo según esa elección.

No siempre se exige que el sistema esté escrito explícitamente, pero cuando hay ambigüedad, el error se penaliza aunque las cuentas estén bien hechas.

En ejercicios de desarrollo, aclarar el sistema al comienzo suele ser un punto a favor desde el criterio docente.

6. Para seguir practicando con criterio de examen

Si querés trabajar este tema con ejercicios cuidadosamente graduados y con énfasis en la identificación correcta del sistema y el entorno, hay material específico disponible en formato PDF.

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