Concepto de estado estacionario

Un estado estacionario, es aquel estado de un proceso o de un sistema en estudio en donde los parámetros a estudiar no varían a través del tiempo, es decir, no presentan cambios a medida que pasa el tiempo. Se concluye que todos los parámetros que describen el comportamiento del sistema en estudio son independientes del tiempo.

El concepto de estado estacionario se puede utilizar para estudiar procesos industriales. Imagen de WorldEnergyTrade

Un claro ejemplo de estado estacionario, es el de un intercambiador de calor, donde obviamente la temperatura del líquido refrigerante cambia, pero se mantiene constante tanto a la entrada como a la salida del intercambiador de calor, siendo un sistema en estado estacionario, es decir, siempre será para este ejemplo, 25 °C a la entrada y 80 °C a la salida. En la práctica, el estado estacionario es mucho más flexible y permite cambios con cierto grado de tolerancia en las variables a estudiar.

Como en todo estudio científico que tiene que ver con la energía, podemos describir el comportamiento del estado estacionario con una expresión matemática, donde las propiedades del sistema a estudiar no varían a lo largo del tiempo. Esta expresión sería la siguiente:

Donde:

p es la variable en estudio.
t es el tiempo.

Lo que nos describe la expresión matemática es que la derivada parcial de cualquier propiedad o de las propiedades del sistema en función del tiempo, siempre será cero para un sistema en estado estacionario, sólo sí se cumple en períodos de tiempo discretos. Esto nos dice que para todo valor de tiempo del estudio realizado, la resta del valor del estado final de una propiedad, con respecto al valor del estado inicial de la propiedad, será cero.

Concepto de estado estacionario. Imagen de Slideshare

Este concepto de estado estacionario es de gran relevancia para estudios de ingeniería y análisis termodinámicos, aunque las aplicaciones de este tipo de sistemas van más allá de la termodinámica y por ejemplo, del estudio de la cinética química. Asimismo, el estado estacionario es fundamental para calcular la constante de velocidad de reacción, ya que en este tipo de estados las variables no presentarán cambios a lo largo del tiempo.

Para que un sistema en estudio permanezca en estado estacionario, hay que garantizar que las variables que describen el comportamiento del sistema no varíen con el tiempo. Por ello, no debe existir acumulación de masa o de energía dentro del sistema durante el tiempo de estudio, e incluso, la misma velocidad de ingreso y salida de masa debe permanecer constante. En pocas palabras, las propiedades pueden cambiar de un punto a otro, o de un estado a otro, pero se mantendrán invariables siempre en el mismo punto o estado termodinámico.

En el estado estacionario las condiciones de estudio como el nivel de un recipiente se mantienen invariables en el tiempo. Imagen de Slideshare

En los procesos industriales, cuando éstos arrancan o se inicia la operación de una máquina, se debe esperar un tiempo a que esté en funcionamiento para que se estabilicen las condiciones del proceso y se puedan comenzar a estudiar los resultados. Esto nos dice que primero hay que esperar a que el sistema que inicialmente no se encontraba en estado estacionario, llegue a un punto en donde sí se encuentre en estado estacionario y facilite el estudio.

El concepto de estado estacionario es utilizado en otras ramas de estudio fuera de la ingeniería química, la termodinámica y la química como tal, ya que también se utiliza en economía para estudiar sistemas económicos que no varían con el tiempo, y en la ingeniería eléctrica para estudiar corrientes alternas o sistemas de energía, por nombrar sólo algunas ramas de investigación que emplean este concepto, existen muchas más.