CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN
Y PRINCIPIOS
BÁSICOS
1
1.1 INTRODUCCIÓN
La termodinámica es la ciencia que estudia el
almacenamiento, transformación y transferencia de energía.
Se almacena energía como:
 Energía interna (relacionada con la estructura molecular
y el grado de actividad molecular)
 Energía cinética (debido al movimiento)
 Energía potencial (debido a la elevación o altura)
 Energía química (debido a la composición química)
Se transforma, de una de estas formas a otras, y se
transfiere a través de una frontera en forma de calor o
trabajo.

2
1.2 DIMENSIONES Y UNIDADES

Toda cantidad física se caracteriza mediante dimensiones.

Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman
unidades.
TABLA 1.1 Las siete dimensiones fundamentales y sus unidades en el S.I.

3
El Sistema de Unidades que se utiliza es el Sistema
Internacional (S.I.)

Los prefijos usados para expresar los múltiplos de las

distintas unidades se presentan en la tabla 1.2.
TABLA 1.2 Prefijos estándar en unidades S.I.

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Otras dimensiones como la velocidad, energía y el
volumen, se expresan en términos de las dimensiones
fundamentales y se llaman secundarias o derivadas.

Con frecuencia usamos la Segunda Ley de Newton.

En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se

define como la fuerza requerida para acelerar una masa
de 1kg a razón de 1m/s².

5
El trabajo, que es una forma de transferencia energía, se
define como la fuerza multiplicada por la distancia; en
consecuencia, tiene la unidad N.m, llamado Joule(J). Es decir,

Una unidad más común para la energía en el SI es el kilojoule

(1kJ=10³J).

HOMOGENEIDAD DIMENSIONAL.
En ingeniería, las ecuaciones deben ser dimensionalmente
homogéneas.
Es decir, cada término de una ecuación debe tener la misma
unidad.
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1.3 SISTEMAS TERMODINÁMICOS.
Sistema es una cantidad definida de materia o una región
en el espacio seleccionado para estudio o análisis.
Toda la masa o región fuera del sistema se denomina
alrededores o medio ambiente.
La superficie real o imaginaria que separa al sistema de
sus alrededores se llama frontera o límite.
En la figura 1.1 se ilustran los elementos de un sistema.

Figura 1.1 Un sistema

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Los sistemas pueden ser cerrados o abiertos.
Un sistema cerrado o masa de control es una cantidad
fija de masa contenida dentro de un recipiente que no
puede cruzar su frontera.
Pero la energía, en forma de calor o trabajo puede cruzar
la frontera. El volumen de un sistema cerrado no tiene
que ser fijo. La figura 1.2 representa un sistema cerrado.

Figura 1.2 Un Sistema Cerrado

Si además de la masa, no puede la energía cruzar la

frontera, se tiene el caso de un sistema aislado.
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Un sistema abierto o volumen de control, es una región
elegida adecuadamente en el espacio, en el cual tanto la
masa como la energía pueden cruzar la frontera.
Una bomba, una turbina o una tobera, son ejemplos de
volúmenes de control.
La ilustración de un sistema abierto o volumen de control, se
presenta en la figura 1.3.

a) Un volumen de control de b) Un volumen de control con

fronteras real e imaginaria. fronteras fija y móvil.

Figura 1.3 Un volumen de control

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1.4 PROPIEDADES Y ESTADO DE UN SISTEMA.

Una propiedad es cualquier característica de un sistema

o cualquier cantidad que sirve para describir un sistema.
Algunas propiedades comunes son:
- Presión (P)
- Temperatura (T)
- Volumen (V)
- Masa (m), etc.

Las propiedades termodinámicas se dividen en dos

tipos generales: INTENSIVAS Y EXTENSIVAS.

10
 PROPIEDADES PROPIEDADES
INTENSIVAS EXTENSIVAS

Son aquellas propiedades Las propiedades extensivas

que no dependen de la son aquellas que dependen de
masa del sistema, como: la masa del sistema, como:
- Temperatura - Masa
- Presión - Volumen
- Densidad - Cantidad de movimiento
- Energía total

Las propiedades extensivas por unidad de masa reciben

el nombre de propiedades específicas.

Algunos ejemplos son: el volumen específico (v=V/m) y la

energía total específica (e=E/m).

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El estado de un sistema es su condición cuando se
describe dando valores a sus propiedades en un instante
particular.
En la figura 1.4 se muestra un sistema en dos estados
diferentes.

a) Estado 1 b) Estado 2

Figura 1.4 Un sistema en dos estados diferentes

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Postulado de estado.
El estado de un sistema se describe mediante sus propiedades,
pero se sabe por experiencia que no es necesario especificarlas
todas para definirlo.
Enunciado: “El estado de un sistema compresible simple se
especifica completamente mediante dos propiedades intensivas
independientes.”
Por ejemplo, la temperatura y el volumen específico son
propiedades independientes, y juntas fijan el estado de un sistema
compresible simple, tal como se aprecia en la figura 1.5.

Figura 1.5 Un postulado de estado 13

1.5 EQUILIBRIO, PROCESOS Y CICLOS.
La termodinámica trata con estados de equilibrio. Esta última
palabra define un estado de balance, cuando las propiedades
son constantes en todo el sistema y cuando no hay tendencia a
un cambio con el tiempo. Lo anteriormente descrito, define una
condición de equilibrio termodinámico.

Existen muchos tipos de equilibrio:

 Un sistema está en equilibrio térmico si tiene la misma
temperatura en todas sus partes.
 El equilibrio mecánico se relaciona con la presión en los
puntos del sistema.

Un sistema está en equilibrio químico si su composición

química no cambia con el tiempo.

14
Un proceso es cualquier cambio de un estado de equilibrio
a otro experimentado por un sistema. La serie de estados
por los que pasa un sistema durante este proceso se
denomina trayectoria del proceso. (Fig.1.6)

15
Si en el paso de un estado al siguiente, un proceso
se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el
sistema permanece infinitesimalmente cerca de un
estado de equilibrio, se presenta un estado cuasi
estático, o de cuasi equilibrio.
Un proceso de cuasi equilibrio es un caso idealizado.

La figura 1.7 ilustra un dispositivo cilindro-émbolo, que

contiene un gas, en el que se desarrolla un proceso de
compresión con y sin cuasi equilibrio.

a) Compresión lenta b) Compresión muy rápida

(cuasiequilibrio) (no cuasiequilibrio)
Figura 1.7 Procesos de compresión de un gas en un dispositivo cilindro - émbolo

16
Cuando un sistema en un estado inicial determinado
experimenta una serie de procesos y regresa al estado inicial,
el sistema experimenta un ciclo o proceso cíclico (Fig.1.8).

Figura 1.8 Un proceso cíclico

El prefijo ¨iso¨ se antepone al nombre de cualquier propiedad

que permanezca sin cambio durante un proceso.
Proceso isotérmico, es aquél en el que la temperatura T
permanece constante.
Proceso isobárico, en el que la presión P permanece
constante.
Proceso isocórico o isométrico, es un proceso a volumen V
constante. 17
1.6 DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA

La densidad se define como la masa por unidad de volumen.

El recíproco de la densidad es el volumen especifico v, que

se define como el volumen por unidad de masa.

La densidad relativa o gravedad específica se define como

el cociente de la densidad de una sustancia entre la
densidad de alguna sustancia estándar a una temperatura
específica.

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Usualmente la sustancia estándar es el agua a 4˚C, cuya
densidad es, . Por definición,

El peso de un volumen unitario de una sustancia se

denomina el peso específico y se expresa mediante la
relación,
γ =W/V

donde:
 es el peso específico
 es la aceleración gravitacional.

19
1.7 TEMPERATURA Y LEY CERO DE LA
TERMODINÁMICA

La temperatura es, en realidad, una medida de la actividad

molecular. Sin embargo, en termodinámica clásica, las
cantidades están definidas solo en términos de observaciones
macroscópicas. Así por ejemplo, una experiencia común es
que una taza de café caliente se enfría con el tiempo.

Cuando un cuerpo se pone en contacto con otro que está a

una temperatura diferente, el calor se transfiere del que está
caliente al frío, hasta que ambos alcanzan la misma
temperatura (fig. 1.9).

20
En este punto se detiene la transferencia de calor y se dice
que los dos cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico.

Figura 1.9 Dos cuerpos que alcanzan el equilibrio térmico dentro de un

recipiente aislado

La ley cero de la termodinámica establece que si dos

cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero,
están en equilibrio térmico entre si.

21
Escalas de temperatura.
Escala relativa. Para establecer una escala relativa de
temperatura se eligen dos estados fá cilmente reproducibles
como los puntos de fusió n del hielo y de ebullició n del agua.
La escala de temperatura utilizada actualmente en el SI es la
escala de Celsius.
Escala absoluta. En termodiná mica es muy conveniente tener
una escala de temperatura independiente de las propiedades
de cualquier sustancia o sustancias.
Dicha escala es la escala de temperatura termodiná mica o
absoluta, definida posteriormente con la segunda ley de la
termodiná mica.

22
La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala de
Kelvin, cuya unidad de temperatura es el Kelvin, designado por K.
La escala Kelvin se relaciona con la Celsius mediante

En la figura 1.10 se muestra una comparación de varias escalas

de temperatura, en relación al agua.

Figura 1.10 Comparación de escalas de temperatura

23
1.8 PRESIÓN.
La presión de define como una fuerza normal que ejerce un
fluido por unidad de área. El término fluido se refiere a gas o
líquido. La unidad de presión en el SI es el Pascal (Pa).
Es decir:

El pascal es una unidad demasiada pequeña por lo cual la

presión suele medirse en sus múltiplos de 10 ( 1 kPa igual a
10³ Pa) y Megapascal (1MPa=Pa).
Otras unidades de presión de uso extendido, son bar y
atmósfera estándar.

1 bar=Pa=0.1MPa=100kPa
1 atm=101325Pa=101.325kPa=1.01325bar

24
En la mayor parte de relaciones termodinámicas la presión real
en una determinada posición se llama presión absoluta, y se
mide respecto al vacío absoluto. La presion absoluta es la
presión manométrica más la presión atmosférica local. Es decir:

Esta relación se ilustra en la figura 1.11

Figura 1.11 Relaciones de presion 25

Variación de presión con la altura

En la atmósfera, la presión varía con la elevación o altura (z).

Para densidad constante y aceleración gravitacional
constante, la ecuación para la variación de presión es:

donde el peso específico del fluído.

La presión en un líquido se incrementa en forma lineal con la
profundidad desde la superficie libre.

26
Si se considera que el punto 1 está sobre la superficie libre de un
líquido abierto a la atmósfera (Fig. 1.13), donde la presión es la
presión atmosférica, Patm, entonces la presión a la profundidad h
desde la superficie libre se convierte en:

Figura 1.13 Variación de la presion con la profundidad.

27
Manómetro.
Un manómetro consta principalmente de un tubo en U de
vidrio o plástico transparente que contiene un fluido,
usualmente mercurio por ser pesado, lo cual, permite que el
manómetro tenga un tamaño manejable.
En la figura 1.14 se observa un manómetro básico, el cual se
utiliza para medir la presión en el recipiente conteniendo un
gas.
Como la presión en el fluido no varia dentro de éste, en
dirección horizontal,

Figura 1.14 Manómetro básico 28

La columna diferencial de fluido de altura h está en equilibrio
estático y se halla abierta a la atmósfera; por consiguiente,
la presión en el punto 2 está dada por:

donde es la densidad del fluido dentro del tubo.

Barómetro.
La presión atmosférica se mide mediante un dispositivo
conocido como barómetro, por lo que comúnmente la
presión atmosférica se denomina presión barométrica. En la
figura 1.15 se ilustra un barómetro básico, donde la presión
en el punto B es igual a la presión atmosférica, y la presión
en C se puede considerar como cero por aproximarse al
vacío.

29
Al escribir un balance de fuerzas en la dirección vertical, se
obtiene:

donde ρ es la densidad del mercurio, g es la aceleración

gravitacional local y h es la altura de la columna de mercurio por
encima de la superficie libre.

Figura 1.15 Barómetro básico

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