UNIVERSIDAD ESTATAL DE

MILAGRO

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA
INGENIERIA

HIDRAULICA Y TERMOFLUIDOS

TRABAJO AUTÓNOMO LIBRO

TERMODINÁMICA

ALUMNO:
CARLOS BONES ORTEGA

DOCENTE: MSC OMAR YAGUAL.

PERIODO: NOVIEMBRE 2019 - MARZO 2020

CAPITULO 2.
TERMOFLUIDOS.
CONCEPTOS Y DEFINICIONES.
La termodinámica es la ciencia que trata de la transformación de la
energía y de las propiedades de las sustancias involucradas.
La termodinámica interviene prácticamente en todos los campo de
ingeniería.
La termodinámica se relaciona directamente con otras disciplinas
de transporte, como son la transferencia de calor y la mecánica de
fluidos.
2.1 SISTEMA.
Un sistema termodinámico es una porción de espacio o cantidad de
materia que se selecciona para propósitos de análisis.
Los sistemas termodinámicos generalmente se clasifican en dos
grandes categorías: Sistemas cerrados y abiertos.
Se dice que un sistema es cerrado si no hay transferencia de masa
entre este y sus alrededores. Por el contrario, en un sistema abierto
hay realmente transferencia de masa entre el sistema y sus
alrededores.
Ejemplos de sistemas cerrados: el gas contenido en un cilindro, el
aire que hay dentro de un globo, el aire que hay en una llanta de
automóvil, etc.
Ejemplos de sistemas abiertos: una bomba de agua, un motor de
automóvil, una turbina, un compresor, etc.
En resumen, la única diferencia entre un sistema abierto y cerrado
estriba en que el primera hay una transferencia de materia entre el
sistema y sus alrededores, mientras que en el segundo no hay.
2.2 PROPIEDAD.
Una propiedad termodinámica es una característica de un sistema
que puede observarse de manera directa o indirecta, y no depende
de la historia.
CARACTERISTICA OBSERVABLES DIRECTAMENTE
 La presión.
 La temperatura.
 El peso.
 El volumen
 Entre otros….
CARACTERISTICAS OBSERVABLES INDIRECTAMENTE
 El producto de la presión por la temperatura.
 El producto de la presión por el volumen especifico.
2.3 ESTADO, EQUILIBRIO, PROCESO Y TRAYECTORIA
El estado de un sistema queda identificado por el conjunto de
valores que tienen las propiedades termodinámicas en un instante
dado.
Un sistema está en equilibrio termodinámico si es incapaz de
experimentar de manera espontánea algún cambio de estado en las
condiciones que le imponen los alrededores.
Un proceso ocurre cuando el sistema pasa de un estado
termodinámico a otro.
Un ciclo es un proceso o conjunto de procesos que dejan el sistema
de nuevo en el estado original que tenía antes de que se realizara.
La trayectoria es el conjunto de estados que atraviesa un sistema
al realizarse un proceso.
2.4 PRESIÓN
La presión absoluta en un sistema es igual a la suma de la presión
manométrica más la presión barométrica o atmosférica del lugar.
En algunas circunstancias los sistemas operan en condiciones de
vacío, es decir, a presiones inferiores a la presión atmosférica.

EJEMPLO:
Calcule la presión absoluta ejercida por el aire contenido en un
neumático de automóvil si la presión manométrica es de 2 bar y la
presión barométrica del lugar es de 950 mbar.
Solución:
p = 2 + 0 .950 = 2.950 bar
2.5 TEMPERATURA.
La temperatura es una propiedad termodinámica muy utilizada,
pero difícil de definir. Por lo regular se asocia con la actividad
molecular del sistema o se define de forma indirecta.
Imagine dos cuerpos, uno caliente y uno frío: ambos se ponen en
contacto. Si además se aíslan del entorno, el cuerpo caliente se
enfría, mientras que el frío se calienta. De esta manera, las
propiedades permanecen invariables con el tiempo al alcanzarse el
equilibrio térmico. Por otro lado, si un tercer cuerpo se pone en
contacto térmico con cualquiera de ellos, y todas sus propiedades
permanecen sin cambio, se dice que los tres cuerpos están en
equilibrio térmico entre sí. Esta observación experimental
constituye un axioma termodinámico conocido como Ley cero de
la termodinámica, que se enuncia así:
Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un
tercero, los tres están en equilibrio térmico entre sí.
Esta ley postula la existencia de la propiedad llamada temperatura,
que tiene el mismo valor para todos los sistemas que se encuentran
en equilibrio térmico.
Las cuatro escalas de temperatura de uso más extenso son la
Celsius, Fahrenheit, Kelvin y Rankine.
CAPITULO 3.
LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica, que establece: la energía no se
crea ni se destruye en los procesos, sólo se transforma.
3.1 TRABAJO
La definición de trabajo en su sentido termodinámico es de una
naturaleza aún más extensa que la tradicionalmente empleada por
la mecánica.
‘’Trabajo es una interacción energética entre un sistema y sus
alrededores, a través de aquellas porciones de los límites del
sistema en que no hay transferencia de masa, como consecuencia
de una diferencia en una propiedad intensiva diferente de la
temperatura entre el sistema y sus alrededores. ’’
Por convención, se dice que el trabajo hecho por el sistema sobre
sus alrededores es positivo, mientras que el trabajo hecho por los
alrededores sobre el sistema es negativo. La unidad de trabajo en
el Sistema Internacional de unidades es el joule.
Considere a continuación algunos sistemas con el objeto de
identificar el trabajo hecho por o sobre un sistema:
a) Tobera. Es un dispositivo que sirve para aumentar la velocidad
o energía cinética de un fluido mediante su expansión, desde una
presión dada hasta otra menor.
Comúnmente son del tipo convergente o convergente-divergente.
En las toberas de tipo convergente-divergente el gas se acelera a
velocidades supersónicas, esto es, a velocidades mayores que la
velocidad del sonido.

b) Difusor. Es un dispositivo que sirve para disminuir la velocidad

o energía cinética de un fluido con el correspondiente incremento
en la presión.
c) Turbina. En una turbina se hace pasar un fluido a presión y
mediante una conversión apropiada de energía, se logra obtener un
trabajo con la expansión de éste.
d) Compresor. Un compresor centrífugo puede considerarse como
el inverso de una turbina. En este caso, los álabes del rotor,
impulsados por un dispositivo externo, aumentan la velocidad del
fluido.
3.1.1 TRABAJO EN UN SISTEMA CERRADO
En un sistema cerrado simple estacionario, donde no hay fricción
y la presión es uniforme, el trabajo total hecho por o sobre el
sistema se expresa así

𝑊 = ∫ 𝑝 𝑑𝑉, 𝑤 = ∫ 𝑝 𝑑𝑣

Si el sistema (cerrado) ejecuta Un ciclo termodinámico,

𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∫ 𝑝 𝑑𝑉, 𝑤𝑛𝑒𝑡𝑜 = ∫ 𝑝 𝑑𝑣

Si el sistema cerrado en cuestión experimenta cambios

significativos en energía potencial y cinética, el trabajo total por
unidad de masa hecho por o sobre el sistema queda determinado
mediante la siguiente expresión:
𝑣̅22 − 𝑣̅21
𝑊 = ∫ 𝑝 𝑑𝑣 − − 𝑔(𝑧2 − 𝑧1)
2
En el caso de un sistema abierto que opera sin fricción, en estado
estable, y con una entrada y una salida de flujo,
𝑣̅22 − 𝑣̅21
𝑊 = ∫ 𝑣 𝑑𝑝 − − 𝑔(𝑧2 − 𝑧1)
2
EJEMPLO:
Una masa de 0.59 g de aire se encuentra en el cilindro de un motor
diésel de baja relación de compresión a una presión de 1 bar y una
temperatura de 80 oc. El volumen inicial es de 600 cm3,
reduciéndose durante el proceso de compresión hasta una décima
parte de su valor inicial. Suponiendo que el proceso no tiene
fricción y es de la forma pV 1.3= e, donde e es una constante,
determine la presión que alcanza el aire y el trabajo requerido en la
compresión.
SOLUCIÓN
Puesto que pVl.3 = e,

Puesto que el proceso se desarrolla sin fricción, el trabajo

requerido puede calcularse a través de la ecuación:
3.2 CALOR
Calor es una interacción energética entre un sistema y sus
alrededores, a través de las porciones de los límites del sistema
donde no hay transferencia de masa, como consecuencia de la
diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores.
A semejanza del trabajo, el calor es energía en tránsito a través de
los límites del sistema donde no hay transferencia de masa y, por
ende, no puede almacenarse. El calor se transfiere de mayor a
menor temperatura; esta transferencia de energía se realiza como
consecuencia única y exclusivamente de una diferencia de
temperatura entre el sistema y sus alrededores.
La unidad de calor en el Sistema Internacional de unidades es el
joule. Comúnmente el símbolo del calor es Q.
3.3 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
EN UN SISTEMA CERRADO
La primera ley de la termodinámica establece que el calor neto
agregado a un sistema que opera cíclicamente es igual en magnitud
al trabajo neto desarrollado por éste. De forma analítica,
𝜙 𝑑𝑄 = 𝜙 𝑑𝑊
Este principio axiomático postula la existencia de una propiedad
extensiva del sistema E, conocida como energía del sistema, esto
es,
𝑚 𝑣̅ 2 𝑣̅ 2
𝐸 =𝑈+ + 𝑚𝑔𝑧, 𝑒=𝑈+ + 𝑔𝑧
2 2
donde U es la energía interna. Esta forma de energía está asociada
con el estado termodinámico de la materia que constituye el
sistema. Generalmente, la energía interna u de una sustancia pura
depende de la temperatura y de la densidad. Para un sistema
cerrado, la primera ley de la termodinámica puede escribirse así
𝑄 − 𝑊 = ∆𝐸, 𝑞 − 𝑤 = ∆𝑒
En ausencia de cambios significativos en energía cinética y
potencial, la primera ley de la termodinámica para un sistema
cerrado se simplifica
𝑄 − 𝑊 = ∆𝑈, 𝑞 − 𝑤 = ∆𝑢
EJEMPLO:
Durante el proceso de carga de un acumulador eléctrico, la
corriente es de 20 A y el voltaje de 12.3 V. El acumulador disipa 7
W de calor durante el proceso. Determine la razón de cambio con
respecto al tiempo de la energía interna del acumulador.
Solución
Puesto que los cambios de energía cinética y potencial son iguales
a cero, la primera ley de la termodinámica establece que,
𝑑𝑈
𝑄−𝑊 =
𝑑𝑡
Donde
𝑊 = −𝑉𝐼 = −(12.3)(20) = −246 𝑊
Por consiguiente
𝑑𝑈
= 𝑄 − 𝑊 = (−7) − (−246) = 239 𝑊
𝑑𝑡

3.4 ENTALPIA
La propiedad termodinámica llamada entalpía se define:
𝐻 = 𝑈 + 𝑝𝑉, ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣
3.5 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
EN UN SISTEMA ABIERTO
Para un sistema abierto que opera un estado estable, con una
entrada y una salida de flujo, la primera ley de la termodinámica
puede escribirse
̅̅̅̅
𝑉22 − ̅̅̅̅
𝑉12
𝑄 − 𝑊 = 𝑚 [ℎ2 − ℎ1 + 𝑔(𝑧2 − 𝑧1)]
2
O, por unidad de masa,

̅̅̅̅2 − 𝑉1
𝑉2 ̅̅̅̅2
𝑞 − 𝑤 = ℎ2. ℎ1 + 𝑔(𝑧2 − 𝑧1)
2
3.6 LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
PARA CUALQUIER SISTEMA
De forma general, la primera ley de la termodinámica puede
expresarse así
3.7 MÁQUINAS TÉRMICAS Y EFICIENCIA.
REFRIGERADORES Y COEFICIENTE DE
FUNCIONAMIENTO
Una máquina térmica es un sistema que recibe calor y desarrolla
trabajo mientras realiza un ciclo termodinámico. La eficiencia
térmica está dada por la expresión

Un refrigerador es un sistema que toma calor de una región de baja

temperatura y cede calor a otra de mayor temperatura mientras se
le suministra trabajo en un ciclo termodinámico. El coeficiente de
funcionamiento está dado por la expresión,

CAPITULO 6.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Y SUS
CONSECUENCIAS
La segunda ley de la termodinámica es uno de los axiomas más
importantes que se conocen, e impone severas restricciones a la
primera ley de la termodinámica. Como ya se explicó, la primera
ley establece la conservación de la energía en todos los procesos.
Sin embargo, la intuición indica que unas formas de energía son
más valiosas que otras. Por otro lado, la primera ley también es
incapaz de predecir la dirección o extensión de un proceso dado.
Es precisamente la segunda ley la que puede resolver estas
incógnitas.
6.1 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
La segunda ley de la termodinámica establece que el trabajo es una
forma de energía más valiosa que el calor, ya que sólo una fracción
del calor suministrado en un ciclo termodinámico puede
convertirse en trabajo. Aun cuando la segunda ley puede
establecerse de diferentes maneras, dos axiomas equivalentes en
sus consecuencias son los de Clausius y Kelvin-Planck.
Axioma de Clausius. Es imposible que el calor pase, por sí solo,
desde una región de menor temperatura hasta otra de mayor
temperatura.

Axioma de Kelvin-Planck. Es imposible para cualquier

dispositivo operar de forma cíclica, producir trabaja e intercambiar
calor sólo con una región de temperatura constante.
6.2 PROCESOS REVERSIBLES.
Un proceso reversible es aquel que en un instante dado puede
detenerse e invertir la secuencia de estados recorridos para que
tanto el sistema como sus alrededores retornen a sus estados
originales. Todo proceso que involucre fricción, transferencia de
calor a través de una diferencia finita de temperaturas, expansión
libre, mezclado, deformación inelástica, etc., es un proceso
irreversible. Para que el proceso en un sistema dado sea reversible,
sólo se requiere que sea internamente reversible. Un sistema
externamente reversible implica reversibilidad interna y externa.
6.3 FRICCIÓN.
La fricción Φ puede calcularse como la diferencia en trabajo o la
diferencia en calor entre el proceso reversible y el proceso real o
irreversible si ambos recorren los mismos estados de equilibrio.
Esto es:

EJEMPLO:
A una tubería de 5 cm de diámetro entran cinco kilogramos de agua
por segundo con una presión de 5 bar. El agua se descarga a 10m
por encima de la entrada a una presión de 3 bar. Determine la
fricción en la tubería y el incremento de temperatura
experimentado por el agua, suponiendo que el sistema es adiabático
y que la densidad del agua es igual a 1000 kg/ m3.

El incremento de temperatura (como consecuencia de la fricción)

puede determinarse:
6.4 PRINCIPIO DE CARNOT.
El principio de Carnot, consecuencia de la segunda ley de la
termodinámica, puede enunciarse de la siguiente manera:
i. Es imposible construir una máquina que opere entre dos
regiones de temperatura distinta y que sea más eficiente
que una máquina externamente reversible que opera entre
las mismas regiones de temperatura.
ii. Todas las máquinas térmicas externamente reversibles
tienen la misma eficiencia térmica si operan entre las
mismas regiones de temperatura.
El principio de Carnot puede aplicarse de forma análoga para
refrigeradores.
6.5 CICLO DE CARNOT.
El ciclo de Carnot está constituido por cuatro procesos
externamente reversibles: dos procesos adiabáticos y dos
isotérmicos. La eficiencia de una máquina de Carnot está dada por
la expresión.

6.6 ESCALA TERMODINÁMICA DE

TEMPERATURA ABSOLUTA.
La operación de cualquier máquina externamente reversible
constituye un medio para establecer una escala termodinámica de
temperatura absoluta, la cual es independiente de las propiedades
físicas de las sustancias.
EJEMPLO:

6.7 OTROS CICLOS REVERSIBLES.

El ciclo Stirling está constituido por dos procesos isotérmicos y
dos procesos isométricos reversibles.

El ciclo Ericsson lo forman dos procesos isotérmicos y dos

procesos isobáricos reversibles.