Marco teórico

Termodinámica y sus leyes 

Boles, M., Kanoğlu, M, Çengel, Y. (2) definen a la termodinámica como la ciencia
de la energía, donde la energía se puede considerar como la capacidad para
causar cambios. El término termodinámica proviene de las palabras griegas
therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo más descriptivos de los
primeros esfuerzos de convertir el calor en energía. En la actualidad, el concepto
se interpreta para incluir los aspectos de energía y sus transformaciones.
Para poder definir las leyes de la termodinámica, primero tenemos que definir
algunos conceptos:
 Sistema. Como indica Bhattacharjee, S. (3), en termodinámica se define
como cualquier entidad de interés dentro de una frontera bien definida. El
sistema es la cantidad de materia o una región en el espacio elegida para el
análisis (2). Los sistemas se pueden considerar:
 Cerrados. Conocidos también como masa de control, constan de una
cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera, sin
embargo, la energía, en forma de calor o trabajo puede cruzarla
frontera.
 Aislados. Consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede
cruzar su frontera, pero a diferencia del cerrado, impide que la
energía cruce la frontera.
 Abiertos. Conocido como volumen de control es una región elegida
apropiadamente en el espacio. Tanto la masa como la energía
pueden cruzar la frontera de un volumen de control.
 Frontera. Separa el sistema de interés del ambiente, puede ser real o
imaginaria, rígida o no, estacionaria o móvil e interna o externa respecto a
una pared. 
 Ambiente. Conocido también como alrededores, el cual es la masa o región
fuera del sistema. (2)
 Universo termodinámico. Es el conjunto del sistema y del ambiente. (3)
Existen 4 leyes de la termodinámica:
 Ley cero de la termodinámica. Luscombe, J. (4) dice que “la temperatura
existe como una propiedad de los sistemas de equilibrio al igual que una
ecuación de estado, una relación funcional entre variables de estado”. Por
su parte Abreu, J., Stalmans, T. (5), dice que se puede formular como: “Dos
sistemas en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico
entre sí”. Esta ley fue enunciada en 1931 por Ralph Fowler. Su importancia
radica en que constituye un método para medir la temperatura de cualquier
sistema gracias a las propiedades termométricas y permite la calibración de
los termómetros y establecer equivalencias entres sus distintas escalas de
temperatura.
 Primera ley de la termodinámica. “La energía interna interna U, es
establecida como una variable de estado. La energía interna se conserva;
 trabajo y calor son formas interconvertibles de energía” (4). Esta ley es una
de las más importantes y fundamentales leyes de la naturaleza, pues es el
principio de la conservación de la energía. Ésta expresa que durante una
interacción la energía puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad
total permanece constante. (2)
 Segunda ley de la termodinámica. El calor fluye única y espontáneamente
de lo caliente a lo frío. La existencia de una nueva variable de estado,
entropía (S), es establecida como temperatura absoluta (T). (4)
 Tercera ley de la termodinámica.  Los cambios en la entropía se
desvanecen cuando T se aproxima al cero absoluto. No es posible alcanzar
la temperatura del cero absoluto. (4) En otras palabras, esta ley se refiere a
que en un sistema por más procesos que se den, la temperatura jamás
llegará al cero absoluto. (6)

Temperatura y calor
Verges, J. (7) indica que la temperatura es una forma de medir el calor, es decir
que es una magnitud física que indica que tan caliente o fría está una sustancia.
La temperatura es una medida de la energía de un sistema a nivel macroscópico.
Está energía es la cinética de las moléculas de la sustancia. (5)
Escalas de temperatura
Se han introducido varias escalas de temperatura, las cuales se basan en estados
reproducibles (punto de congelación y ebullición del agua). Las escalas que se
usan actualmente de acuerdo con en el SI y en el sistema inglés son: escala
Celsius (valor de 0° C - 100° C), Fahrenheit (32° F - 212 ° F). Sin embargo es
importante tener una escala que sea independiente de cualquier sustancia, la cual
es la escala de temperatura termodinámica que se desarrolló junto la segunda ley
de la termodinámica; ésta se conoce como escala Kelvin en el SI, donde la
temperatura mínima es el cero absoluto o 0 K. Por su parte, la escala
termodinámica en el sistema inglés es la escala Rankine. (2)
En cambio, el calor es la transferencia de energía de un sistema de mayor
temperatura a uno de menor temperatura. Es por ello que un sistema en sí no
puede tener calor , sino sólo una temperatura. El calor sólo existe cuando dos
sistemas están en contacto térmico, dado que el calor es energía en tránsito. (5)
Por su parte Khan Academy (8), se refiere al calor, como la energía térmica
transferida entre dos sistemas a diferentes temperaturas que entran en contacto.
Este tiene unidades de Joules (J). A veces se le conoce como una magnitud de
proceso, pues está definido con base en un proceso por el cual se puede
transmitir energía. Además, es una propiedad extensiva, es decir, que el cambio
de temperatura que resultará de la transferencia de calor a un sistema, depende
del número de moléculas presentes en el sistema.

El calor de acuerdo a Condesa, J. (9) puede transferirse de tres maneras distintas:

conducción, convección y radiación:
 Conducción. Tippens, P. (10) se refiere a la conducción por el que se
transfiere energía térmica mediante colisiones de moléculas adyacentes a
lo largo de un medio material. El medio en sí no se mueve. Por su parte,
Condesa, J. (9) dice que la conducción es el mecanismo de transferencia
de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular,
por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más
energéticas, le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose
un flujo de calor desde las temperaturas más altas hasta las más bajas. La
conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos
partes del medio conductor. Para un volumen de espesor x, con área de
sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes T1
y T2 , se encuentra que el calor Q, transferido en un tiempo t fluye del
extremo caliente al frío. Si se llama H (en Watts) al calor transferido por
unidad de tiempo, la rapidez de transferencia del calor H= Q /t, está dada
por la ley de la conducción del calor de Fourier (): 
H = kA (T2 - T1L) donde: H= Flujo de calor (Joule/s o kcal/s)
k = Coeficiente de conductividad (kcal/mseg°C)
A= Área (m ) 2

T y T = Temperatura de las caras (°C)

1 2

L = Longitud (m)

 Convección. Con base en Condesa, J. (9), la convección es el mecanismo

de transferencia de calor por movimiento de masa o circulación dentro de la
sustancia. Puede ser natural producida sólo por las diferencias de
densidades de la materia o forzada, cuando la materia es obligada a
moverse de un lugar a otro. Sólo se produce en líquidos y gases donde los
átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. Tippens, P. (10) es
el proceso por el que se transfiere calor por medio del movimiento real de la
masa de un fluido. Por su parte, Kacero, A. (11) explica que la importancia
de la convección radica en que se encuentra presente en la naturaleza, ya
que la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por conducción y
radiación y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas o
niveles de la atmósfera por convección.
Condesa, J (9),indica que existe un modelo de transferencia de calor H por
convección, conocido como la Ley de enfriamiento de Newton:

H= h A (TA- T) donde: h = coeficiente de convección (W/m K)2

A= superficie que entrega calor (m ) 

2

T y T = temperatura (k)
1 2

 Radiación. De acuerdo a Condesa, J. (9) indica que por el hecho de

encontrarse a una cierta temperatura todos los cuerpos emiten radiación
electromagnética con unas características que dependen del cuerpo y de la
temperatura de emisión. En la transmisión del calor por radiación, un
cuerpo cede parte de su energía interna a través de la emisión de ondas
 electromagnéticas (que viajan a la velocidad de la luz y no necesitan de un
medio material para su propagación). Al ser absorbidas por otros cuerpos,
su energía pasa de nuevo a un movimiento térmico de las moléculas y, por
tanto, a un aumento de temperatura. A su vez, estos cuerpos se encuentran
a una temperatura y por tanto emiten radiación electromagnética
correspondiente a dicha temperatura que puede ser absorbida por otros
cuerpos intercambiándose energía entre los mismos.
Así, el proceso de intercambio de calor por radiación es un proceso de
absorción y emisión posterior de energía en forma de radiación
electromagnética (fotones) por parte de los átomos y moléculas de una
sustancia. Por su parte, Tippens, P. (10) define radiación como el proceso
por el que el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas.

Calor específico

Jimenez, C. (12), se refiere al calor específico (c) como la cantidad de calor (Q)
necesaria para aumentar la temperatura de una masa (m) en proporción a la
temperatura (△T), es decir: Q=mc∆T, es decir: el calor específico (o capacidad
calorífica) es la energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de 1 kg
de masa. Cada sustancia cuenta con su propia capacidad calorífica en función de
la temperatura, la cual puede manejarse como una constante según el caso.

Calor latente de un cambio de fase

De acuerdo con Martín, T. y Serrano, A. (13), cuando se produce un cambio de

fase, la sustancia debe absorber o ceder una cierta cantidad de calor para que
tenga lugar. Este calor será positivo (absorbido) cuando el cambio de fase se
produce de izquierda a derecha en la figura, y negativo (cedido) cuando la
transición de fase tiene lugar de derecha a izquierda.

El calor absorbido o cedido en un cambio de fase no se traduce en un cambio de

temperatura, ya que la energía suministrada o extraída de la sustancia se emplea
en cambiar el estado de agregación de la materia. Este calor se denomina calor
latente.
Latente en latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la
temperatura durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se
quedaba escondido sin traducirse en un cambio de temperatura .

Calor latente (L) o calor de cambio de estado

Es la energía absorbida o cedida por unidad de masa de sustancia al cambiar de

estado. De sólido a líquido este calor se denomina calor latente de fusión, de
líquido a vapor calor latente de vaporización y de sólido a vapor calor latente de
sublimación.
El calor latente para los procesos inversos (representados en azul en la figura
anterior) tienen el mismo valor en valor absoluto, pero serán negativos porque en
este caso se trata de un calor cedido.
En el Sistema Internacional, el calor latente se mide en J/kg.
La cantidad de calor que absorbe o cede una cantidad m de sustancia para
cambiar de fase viene dada por: Q = mL
Este calor será positivo o negativo dependiendo del cambio de fase que haya
tenido lugar.

Equilibrio térmico

Parten de la termodinámica para explicar cuando un sistema se encuentra en

equilibrio termodinámico; mencionan que se alcanza este equilibrio cuando las
variables intensivas como la temperatura o la presión no sufren cambios con el
tiempo.
Mientras que un sistema que permite el intercambio de energía, llega al equilibrio
cuando los valores de las variables sean iguales tanto para el sistema como para
sus alrededores; un sistema cerrado, lo alcanza al tener un equilibrio térmico y
termodinámico (15): 
 Equilibrio termodinámico: la temperatura del sistema es la misma que la de
los alrededores.
 Equilibrio mecánico: la presión del sistema es la misma que la de los
alrededores.

Calorimetría 
La calorimetría es la técnica de medición cuantitativa de intercambio de calor. Los
cálculos calorimétricos se basan en un principio básico el cual es sencillo y dice: si
fluye calor entre dos cuerpos aislados de sus alrededores, el calor perdido por un
cuerpo debe ser igual al ganado por el otro. El calor es transferencia de energía,
así que este principio es realmente la conservación de energía. (12). Lo anterior
significa que para un sistema aislado la suma de todos los calores ganados o
perdidos son una mezcla por las sustancias involucradas deber ser cero, es decir:
Q =Qganado+Qperdido=Q1+Q2+... +QN=0
Define calorimetría como una técnica que determina los cambios del contenido
calórico de un sistema asociados con un proceso químico o físico. Está basado en
la medición de los cambios de temperaturas cuando un sistema absorbe o emite
calor. Asimismo, estudia la relación que tiene la energía calorífica asociada a una
reacción química, y cómo ésta se utiliza para determinar variables de la misma.
(7) 
Además de referir a cuatro principios generales de la calorimetría:
 1. Siempre que entre varios cuerpos haya un intercambio de energía térmica,
la cantidad de calor perdido por unos cuerpos es igual a la cantidad de calor
ganado por los otros.
2. La cantidad de calor absorbido o desprendido por un cuerpo es
directamente proporcional a su variación de temperatura.
3. La cantidad de calor absorbido o desprendido por un cuerpo es
directamente proporcional a su masa
4. Cuando varios cuerpos a temperaturas diferentes se ponen en contacto, la
energía térmica se desplaza hacia los cuerpos cuya temperatura es más
baja. El equilibrio térmico ocurre cuando todos los cuerpos quedan.

Calorímetro 
El calorímetro es un instrumento que sirve para medir la cantidad de calor que
libera o absorbe una muestra en la que ocurre algún evento que refleja las
interacciones moleculares presentes entre los componentes de la muestra. (14)
Mientras que, la Universidad Católica Andrés Bello-Guayana (15) lo define como
un sistema adiabático y por lo tanto no permite la transferencia de energía con el
medio ambiente; en tal sentido el calor liberado dentro del calorímetro debe ser
totalmente absorbido por él.
El balance del flujo de calor puede escribirse:
Qabsorbido +Q liberado =0
Q (reacción) +Q (sistema calorimétrico) =0
Tipos de calorímetros
Todos los calorímetros constan de los mismos elementos básicos en su diseño
(14):
 Dos celdas idénticas. Una de referencia “R”, la cual se llena de agua pura y
otra que contiene la muestra “M”
 Pared adiabática. Aisla ambas celdas del exterior, evitando la pérdida o
ganancia de energía del entorno
El Departamento de Fisicoquímica de la Facultad de Química (16) los calorímetros
se clasifican en tres tipos:
 Isocórico. Bolívar, G. (17) lo define como el dispositivo en el cual se mide la
cantidad de calor que se desprende o absorbe en una reacción que ocurre
a volumen constante. La reacción tiene lugar en un recipiente de acero
resistente el cual se sumerge en un volumen grande de agua. Esto hace
que los cambios de temperatura del agua sean mínimos, por lo que se
asume que los cambios asociados a la reacción son medidos a volumen y
temperatura constante. Esto indica que no se realiza trabajo. La
Universidad Católica Andrés Bello-Guayana (15) dice que el balance de
calor se puede expresar como:
 Ereacción + mcalorímetroCp(T) +mCp (T ) (agua) = 0
Nota: el producto de mCpde cada calorímetro es una constante que se determina
de forma experimental
 Adiabático. Bolívar, G. Se minimiza la diferencia de temperatura entre el
calorímetro y sus alrededores, así como se minimiza el coeficiente de
transferencia de calor y el tiempo para el intercambio de calor. Para lograr
esto se utiliza por tener una estructura aislante. (17) La Universidad
Católica Andrés Bello-Guayana (15) dice que el balance de calor se
expresa como:
Qabsorbido + Qliberado = 0
 Isobárico. En estos, se mantendrá una presión constante. Por lo que, su
uso fundamental es la determinación de H de reacciones en solución. El
calor transferido en ellos es igual a su Hy se puede escribir el balance de
calor como (15):
Hreacción + T (calorímetro) +msolventeCp(T) = 0
Determinación del calor específico a través de un calorímetro
De acuerdo a Sanabria, F. (18), existen tres principales formas de
determinar el calor específico a través de un calorímetro
Determinación del equivalente en agua del calorímetro.
El calorímetro, como cualquier objeto también absorberá calor, sería necesario
entonces conocer la masa del calorímetro y su calor específico, como esto es
sumamente difícil, ya que el calorímetro está formado por muchas sustancias
diferentes (termómetro, recipiente, agitador, aire) se determina el equivalente en
agua del calorímetro, que sería la masa que tendría el calorímetro si fuera de
agua.
Para ello se introduce en el calorímetro una cantidad conocida de calor (en forma
de agua,  con masa y una temperatura conocida), y se registra la variación de la
temperatura del líquido contenido en el recipiente.
Si m1 es la cantidad de agua en el recipiente, t1 la temperatura inicial del agua del
recipiente, m2es el agua agregada al calorímetro, t2 la temperatura del agua que
se agrega y tf la temperatura final que alcanza la mezcla, entonces:
(mc  + m1) · (tf –t1) = - m2 · (tf –t2)
 
Donde mc es el equivalente en agua de la masa del calorímetro.