Estado estable - Steady state

En la teoría de sistemas , un sistema o un proceso está en un estado estable si las variables (llamadas variables de estado ) que definen el comportamiento del sistema o del proceso no cambian en el tiempo. En tiempo continuo , esto significa que para esas propiedades p del sistema, la derivada parcial con respecto al tiempo es cero y permanece así:

En tiempo discreto , significa que la primera diferencia de cada propiedad es cero y permanece así:

El concepto de estado estable tiene relevancia en muchos campos, en particular la termodinámica , la economía y la ingeniería . Si un sistema está en un estado estable, entonces el comportamiento observado recientemente del sistema continuará en el futuro. En los sistemas estocásticos , las probabilidades de que se repitan varios estados permanecerán constantes. Consulte, por ejemplo, la ecuación de diferencia lineal # Conversión a forma homogénea para la derivación del estado estacionario.

En muchos sistemas, no se logra un estado estable hasta algún tiempo después de que se inicia o inicia el sistema. Esta situación inicial a menudo se identifica como un estado transitorio , período de inicio o calentamiento. Por ejemplo, mientras que el flujo de fluido a través de un tubo o de electricidad a través de una red podría estar en un estado estable porque hay un flujo constante de fluido o electricidad, un tanque o condensador que se drena o se llena de fluido es un sistema en estado transitorio, porque su volumen de líquido cambia con el tiempo.

A menudo, un estado estable se aborda de forma asintótica . Un sistema inestable es aquel que se aparta del estado estable. Consulte, por ejemplo, la ecuación de diferencia lineal # Estabilidad .

En química , un estado estable es una situación más general que el equilibrio dinámico . Mientras que un equilibrio dinámico ocurre cuando dos o más procesos reversibles ocurren a la misma tasa, y se puede decir que tal sistema está en un estado estacionario, un sistema que está en un estado estacionario puede no estar necesariamente en un estado de equilibrio dinámico, porque algunos de los procesos involucrados no son reversibles.

Aplicaciones

Ciencias económicas

Una economía de estado estacionario es una economía (especialmente una economía nacional, pero posiblemente la de una ciudad, una región o el mundo) de tamaño estable con una población estable y un consumo estable que se mantiene en o por debajo de la capacidad de carga . En el modelo de crecimiento económico de Robert Solow y Trevor Swan , el estado estacionario ocurre cuando la inversión bruta en capital físico es igual a la depreciación y la economía alcanza el equilibrio económico , lo que puede ocurrir durante un período de crecimiento.

Electrónica

En electrónica, el estado estable es una condición de equilibrio de un circuito o red que ocurre cuando los efectos de los transitorios ya no son importantes.

La determinación del estado estacionario es un tema importante, porque muchas especificaciones de diseño de sistemas electrónicos se dan en términos de las características del estado estacionario. La solución periódica de estado estable también es un requisito previo para el modelado dinámico de señales pequeñas. Por lo tanto, el análisis de estado estacionario es un componente indispensable del proceso de diseño.

En algunos casos, es útil considerar la vibración envolvente constante, una vibración que nunca se estabiliza en la inmovilidad, pero continúa moviéndose a una amplitud constante, una especie de condición de estado estable.

Ingeniería Química

En química , termodinámica y otra ingeniería química , un estado estable es una situación en la que todas las variables de estado son constantes a pesar de los procesos en curso que se esfuerzan por cambiarlas. Para que un sistema completo esté en estado estacionario, es decir, para que todas las variables de estado de un sistema sean constantes, debe haber un flujo a través del sistema (compare el balance de masa ). Uno de los ejemplos más simples de tal sistema es el caso de una bañera con el grifo abierto pero sin el tapón inferior: después de cierto tiempo, el agua entra y sale a la misma velocidad, por lo que el nivel del agua (la variable de estado es Volumen ) se estabiliza y el sistema está en estado estable. Por supuesto, el volumen que se estabiliza dentro de la tina depende del tamaño de la tina, el diámetro del orificio de salida y la velocidad de flujo de agua. Dado que la tina puede desbordarse, eventualmente se puede alcanzar un estado estable en el que el agua que fluye hacia adentro es igual al desbordamiento. más el agua que sale por el desagüe.

Un proceso de flujo en estado estacionario requiere que las condiciones en todos los puntos de un aparato permanezcan constantes a medida que cambia el tiempo. No debe haber acumulación de masa o energía durante el período de tiempo de interés. El mismo caudal másico permanecerá constante en la trayectoria del flujo a través de cada elemento del sistema. Las propiedades termodinámicas pueden variar de un punto a otro, pero permanecerán sin cambios en cualquier punto dado.

Ingenieria Eléctrica

El análisis de estado estable sinusoidal es un método para analizar circuitos de corriente alterna utilizando las mismas técnicas que para resolver circuitos de CC.

La capacidad de una máquina eléctrica o sistema de energía para recuperar su estado original / anterior se denomina estabilidad en estado estable.

La estabilidad de un sistema se refiere a la capacidad de un sistema para volver a su estado estable cuando se somete a una perturbación. Como se mencionó anteriormente, la energía es generada por generadores síncronos que operan en sincronismo con el resto del sistema. Un generador está sincronizado con un bus cuando ambos tienen la misma frecuencia , voltaje y secuencia de fase . Por tanto, podemos definir la estabilidad del sistema de potencia como la capacidad del sistema de potencia para volver al estado estacionario sin perder la sincronicidad. Por lo general, la estabilidad del sistema de energía se clasifica en estabilidad permanente, transitoria y dinámica.

Los estudios de estabilidad en estado estacionario se limitan a cambios pequeños y graduales en las condiciones de funcionamiento del sistema. En esto nos concentramos básicamente en restringir los voltajes del bus cerca de sus valores nominales. También nos aseguramos de que los ángulos de fase entre dos buses no sean demasiado grandes y verificamos la sobrecarga de los equipos eléctricos y las líneas de transmisión. Estas comprobaciones se suelen realizar mediante estudios de flujo de potencia.

La estabilidad transitoria implica el estudio del sistema eléctrico después de una perturbación importante. Después de una gran perturbación en el alternador síncrono, el ángulo de potencia (carga) de la máquina cambia debido a la aceleración repentina del eje del rotor. El objetivo del estudio de estabilidad transitoria es determinar si el ángulo de carga vuelve a un valor estable después de la eliminación de la perturbación.

La capacidad de un sistema de energía para mantener la estabilidad bajo continuas pequeñas perturbaciones se investiga bajo el nombre de Estabilidad dinámica (también conocida como estabilidad de pequeña señal). Estas pequeñas perturbaciones ocurren debido a fluctuaciones aleatorias en las cargas y los niveles de generación. En un sistema de energía interconectado, estas variaciones aleatorias pueden provocar fallas catastróficas, ya que esto puede forzar que el ángulo del rotor aumente de manera constante.

Ingeniería Mecánica

Cuando se aplica una fuerza periódica a un sistema mecánico, normalmente alcanzará un estado estable después de pasar por algún comportamiento transitorio. Esto se observa a menudo en sistemas vibratorios , como un péndulo de reloj , pero puede suceder con cualquier tipo de sistema dinámico estable o semi-estable. La duración del estado transitorio dependerá de las condiciones iniciales del sistema. Dadas ciertas condiciones iniciales, un sistema puede estar en estado estable desde el principio.

Fisiología

La homeostasis (del griego ὅμοιος, hómoios , "similar" y στάσις, stásis , "parado") es propiedad de un sistema que regula su entorno interno y tiende a mantener una condición estable y constante. Usado típicamente para referirse a un organismo vivo , el concepto proviene del de milieu interieur que fue creado por Claude Bernard y publicado en 1865. Múltiples mecanismos de regulación y ajuste del equilibrio dinámico hacen posible la homeostasis.

Fibra óptica

En fibra óptica , "estado estable" es sinónimo de distribución en modo de equilibrio .

Farmacia

En farmacia , el estado estacionario es un equilibrio dinámico en el cuerpo donde las concentraciones de fármaco permanecen constantemente dentro de un límite terapéutico a lo largo del tiempo.

Ver también

Referencias