Sistema cerrado

Sistema termodinámico que puede intercambiar energía pero no materia con su entorno.

Contexto conceptual

La termodinámica clasifica los sistemas según los intercambios que permiten con el entorno. El sistema cerrado ocupa la posición intermedia entre el sistema aislado (sin ningún intercambio) y el sistema abierto (con intercambio de materia): permite el paso de energía en forma de calor y trabajo a través de su frontera, pero prohíbe el flujo de materia. Esta configuración es la más frecuente en los análisis termodinámicos de laboratorio y de ingeniería, porque describe con precisión máquinas de pistón, cámaras de combustión cerradas, baterías eléctricas y recipientes de reacción sellados.

El sistema cerrado es el escenario natural del primer principio de la termodinámica en su formulación más completa, donde la variación de energía interna resulta de la interacción de dos procesos de transferencia de energía cualitativamente distintos: el calor, impulsado por gradientes de temperatura, y el trabajo, impulsado por gradientes de presión, tensión u otras fuerzas generalizadas.

🟢 Nivel esencial

Un sistema cerrado es un sistema que no pierde ni gana masa, pero sí puede ganar o perder energía. Piensa en una jeringa sellada: el émbolo puede moverse (intercambio de trabajo) y las paredes pueden transmitir calor, pero el gas dentro de la jeringa no escapa. Eso es un sistema cerrado.

La consecuencia más directa es que la energía interna $U$ del sistema —la energía total almacenada en el movimiento y las interacciones microscópicas de sus moléculas— puede cambiar, y esa variación $\Delta U$ depende exactamente de cuánto calor $Q$ entra o sale y cuánto trabajo $W$ entra o sale. Si entra más energía de la que sale, $\Delta U$ aumenta. Si sale más de la que entra, $\Delta U$ disminuye. La frontera del sistema cerrado es permeable a la energía pero no a la materia. En otras palabras, el intercambio de energía es posible, pero el intercambio de sustancia no lo es.

Una olla a presión cerrada sigue la misma lógica: el vapor y el agua dentro no cambian de cantidad mientras la válvula esté sellada, pero la temperatura y la presión internas sí cambian según cuánto calor entra desde el fuego. Si se retira del fuego y se deja enfriar sobre la encimera, la energía interna disminuye aunque ni un gramo de materia haya cruzado sus paredes.

🔵 Nivel formal

Fórmulas básicas

El primer principio de la termodinámica establece la relación exacta entre $\Delta U$, $Q$ y $W$ para cualquier proceso en un sistema cerrado:

Primer principio de la termodinámica para sistema cerrado

Esta expresión dice que la variación de $\Delta U$ es igual a la suma del calor $Q$ recibido por el sistema y el trabajo $W$ recibido por el sistema. La convención de signos es fundamental: $Q$ positivo cuando el sistema absorbe calor del entorno; $W$ positivo cuando el entorno realiza trabajo sobre el sistema (convención IUPAC).

El segundo principio impone una restricción sobre la variación de entropía $S$ del sistema cerrado. La desigualdad de Clausius establece que:

Segundo principio para sistema cerrado (desigualdad de Clausius)

Preguntas reales del alumno

¿Por qué Q y W dependen del camino si $\Delta U$ no depende de él?

Porque $\Delta U$ refleja la diferencia entre propiedades del estado (que son únicas para cada estado del sistema), mientras que $Q$ y $W$ describen cómo ocurre la transferencia, que puede variar enormemente. El estado final puede alcanzarse por un camino donde casi todo es calor y casi nada es trabajo, o por un camino donde casi todo es trabajo y casi nada es calor. En ambos casos $\Delta U$ es el mismo, pero $Q$ y $W$ son muy distintos.

¿Puede la entropía de un sistema cerrado disminuir?

Sí. Un frigorífico es un ejemplo cotidiano: el refrigerante (sistema cerrado que no pierde masa) tiene una entropía que disminuye cuando cede calor al condensador. Esta disminución es posible porque el compresor aporta trabajo, y ese trabajo paga el coste termodinámico de la disminución de entropía del sistema. La entropía del universo (sistema más entorno) nunca disminuye.

¿Cuál es la diferencia práctica entre sistema cerrado y sistema aislado?

En el sistema aislado, $\Delta U$ es siempre cero porque ni $Q$ ni $W$ pueden ser distintos de cero. En el sistema cerrado, $\Delta U$ puede cambiar libremente mediante $Q$ y $W$. La diferencia práctica es que el sistema cerrado puede ser usado como motor, refrigerador o calentador, mientras que el sistema aislado no puede intercambiar energía útil con el entorno.

Síntesis final

El sistema cerrado es el escenario canónico del primer principio: $\Delta U$ igual a $Q$ más $W$. Su frontera impermeable a la materia garantiza que toda variación de energía interna tiene una causa energética identificable. El segundo principio añade la restricción de que $S$ puede disminuir en el sistema si se extrae calor, pero la entropía total del universo nunca decrece.