CURSO DE

TERMODINÁMICA

Leonel Martínez Díaz. PhD.

UNIDAD No.1. INTRODUCCIÓN Y DEFINICIONES ELEMENTALES

1.1. Introducción y conceptos básicos

1.2. Sistemas de Unidades y Conversiones.
1.3. Temperatura. Ley cero de la Termodinámica.
1.4. Presión.

https://www.youtube.com/watch?v=mAauNsAny8Q
http://es.slideshare.net/rafa_silva/clase-conceptos-bsicos-de-termodinam
ica
 Algo de Historia

Los principios de la termodinámica han existido desde

la creación del universo.

Esta ciencia surgió como tal hasta  Construyeron en Inglaterra las

que: primeras máquinas de vapor
Thomas Savery en 1697 atmosféricas exitosas.
 Eran muy lentas e ineficientes, pero
Thomas Newcomen en 1712. abrieron el camino para el
desarrollo de una nueva ciencia.
La primera y la segunda leyes de la termodinámica :
Surgen de forma simultánea a partir del año de 1850
De los trabajos de :
 William Rankine, Rudolph Clausius y lord Kelvin (antes William Thomson).
 El término termodinámica se usó primero en una publicación de lord Kelvin en
1849.
 William Rankine, profesor en la universidad de Glasgow, escribió en 1859 el primer
texto sobre el tema.
 CLASIFICACIÓN DE LA TERMODINÁMICA

Termodinámica Termodinámica
Clásica Estadística

 Enfoque macroscópico al  Enfoque más elaborado.

estudio de la termodinámica.  Basado en el
 No requiere conocer el comportamiento promedio
comportamiento de cada una de grupos grandes de
de las partículas partículas individuales.
 1.1. INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS
1.1.1 INTRODUCCIÓN

TERMODINÁMICA Y ENERGÍA

 La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía.

 Aunque todo el mundo tiene idea de lo que es la energía, es difícil definirla
de forma precisa.
 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 descriptivo de los primeros esfuerzos por
convertir el calor en energía.
 En la actualidad, el concepto se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos
de energía y sus transformaciones, incluida la generación de potencia, la
refrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.
 Unade las más importantes y fundamentales
leyes de la naturaleza es el principio de
conservación de la energía.
 Laenergía puede cambiar de una forma a otra
pero su cantidad total permanece constante:
La energía no se crea ni se destruye.
 Unaroca que cae de un acantilado, por
ejemplo, adquiere velocidad como resultado
de su energía potencial convertida en energía
cinética.
 El principio de conservación de la energía también
estructura la industria de las dietas.
 Una persona que tiene un mayor consumo
energético (alimentos)respecto a su gasto de
energía (ejercicio) aumentará de peso (almacena
energía en forma de grasa.
 Otra persona con una ingestión menor respecto a su
gasto energético perderá peso.
 La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del principio de
conservación de la energía, y sostiene que la energía es una propiedad termodinámica.
 La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad así como cantidad,
y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energía.

 Una taza de café caliente sobre una mesa en algún momento

se enfría, pero una taza de café frío en el mismo espacio
nunca se calienta por sí misma .
 La energía de alta temperatura del café se degrada (se
NO TRANS Q transforma en una forma menos útil a otra con menor
temperatura) una vez que se transfiere hacia el aire
circundante
Áreas de aplicación de la termodinámica

Comúnmente la termodinámica se encuentra en muchos sistemas

de ingeniería y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy
lejos para comprobar esto.

?
Una casa ordinaria es, en algunos aspectos, una sala de exhibición de maravillas
relacionadas con la termodinámica.
MÁQUINA TÉRMICA
1.1.2. CONCEPTOS BÁSICOS

Observar el video sobre ALGUNOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES EN

TERMODINÁMICA

https://www.youtube.com/watch?v=n6d_UhOZVuA
SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOS

Al estudiar el intercambio de energía entre un sistema y su entorno, se

puede predecir en qué sentido puede ocurrir el cambio químico o físico.
SISTEMA: se define como una cantidad de materia o una región en el espacio elegida para
análisis. La masa o región fuera del sistema se conoce como alrededores (fig 1.19). La superficie
real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera,
La frontera de un sistema puede ser fija o móvil. Note que la frontera es la superficie de contacto
que comparten sistema y alrededores. En términos matemáticos, la frontera tiene espesor cero y,
por lo tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio.
Pueden ser:
Sistema cerrado: Solo puede intercambia energía con el medio.

 Un sistema cerrado (conocido también como una

masa de control) consta de una cantidad fija de masa
y ninguna otra puede cruzar su frontera.
 Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un
sistema cerrado,

Un sistema cerrado con una frontera móvil.

Sistema abiertos o volumen de control : Intercambia materia y energía con
el medio.

Un volumen de control puede tener fronteras fijas,

móviles, reales o imaginarias
Sistema aislado: No intercambia materia ni energía con el medio.
ESTADO Y EQUILIBRIO
ESTADO: Es la condición en la que se encuentra el sistema. Cada
estado termodinámico se define por un conjunto de sus propiedades
macroscópicas llamadas funciones de estado como por ejemplo : La
Presión, La Temperatura y El Volumen.

 En un estado específico, todas las

propiedades de un sistema tienen valores fijos.
 Si se cambia el valor de una propiedad, el
estado cambia a otro diferente
 EQUILIBRIO

La termodinámica trata con estados de equilibrio. La palabra equilibrio define un estado

de balance. En un estado de equilibrio no hay potenciales desbalanceados (o fuerzas
impulsoras) dentro del sistema, y éste no experimenta cambios cuando es aislado de sus
alrededores.
Hay muchos tipos de equilibrio
1. Equilibrio térmico: la misma temperatura en todo el sistema.
El sistema no implica diferencias de temperatura, que es la
fuerza impulsora para el flujo de calor.
2. Equilibrio mecánico: se relaciona con la presión, y un sistema
lo posee si con el tiempo no hay cambio de presión en alguno
de sus puntos.
3. Equilibrio químico: si su composición química no cambia con
el tiempo, es decir, si no ocurren reacciones químicas.
Postulado de estado

El estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos

propiedades intensivas independientes.

El postulado de estado requiere que las dos propiedades

especificadas sean independientes para fijar el estado; y son
independientes si una de ellas puede variar mientras la otra se
mantiene constante.
Por ejemplo, la temperatura y el volumen específico son siempre
propiedades independientes, y juntas fijan el estado de un
sistema compresible simple.
Sin embargo, la temperatura y la presión son propiedades
independientes.
PROCESOS Y CICLOS

Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro

experimentado por un sistema es un proceso, y la serie
de estados por los que pasa un sistema durante este
proceso es una trayectoria del proceso.

 Para describir completamente un proceso se deben

especificar sus estados inicial y final, así como la
trayectoria que sigue y las interacciones con los
alrededores.
 Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que
todo el tiempo el sistema permanece
infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio,
estamos ante un proceso cuasiestático, o de
cuasiequilibrio.
 Un proceso de este tipo puede considerarse lo
suficientemente lento como para permitirle al sistema
ajustarse internamente de modo que las propiedades
de una de sus partes no cambien más rápido que las de
otras.
 Los diagramas de proceso trazados mediante el
empleo de propiedades termodinámicas en
forma de coordenadas son muy útiles para tener
una representación visual del proceso.
 Algunas propiedades comunes usadas como
coordenadas son temperatura T, presión P y
volumen V (o volumen específico v). En la figura
se muestra el diagrama P-V de un proceso de
compresión de un gas.
Proceso de flujo estacionario

Estacionario significa que no hay cambio con el tiempo y

su contrario es no estacionario o transitorio.

En ingeniería, un gran número de dispositivos operan por

largos periodos bajo las mismas condiciones y se
clasifican como dispositivos de flujo estacionario.

Las propiedades del fluido pueden cambiar de un punto a

otro dentro del volumen de control, pero en algún punto
fijo permanecen sin cambio durante todo el proceso
El volumen V, la masa m y el contenido total de energía E del
volumen de control permanecen constantes durante un proceso de
flujo estacionario.

En condiciones de flujo estacionario,

el contenido de masa y energía de un
volumen de control permanece
constante
Es posible aproximarse a las condiciones de flujo estacionario
mediante dispositivos diseñados para operar constantemente, como
turbinas, bombas, calderas, condensadores, intercambiadores de
calor, plantas de energía o sistemas de refrigeración.
T= 0 seg T= 60 seg
pd = 2 ata pd=2 ata

t= 26,5 oC t= 26,5 oC

T= 0 seg T= 60 seg
Pv1= -0.5 ata Pv1= -0.5 ata

t= 26 oC t= 26 oC
1.2. Dimensiones, Sistemas de Unidades y Conversiones.
Cualquier cantidad física se caracteriza mediante dimensiones.
Existen 2 sistemas de dimensiones fundamentales:
1. Sistema Masa(M), Longitud(L), Tiempo(t) y Temperatura(T).
2. Sistema Fuerza(F), Longitud (L) ,Tiempo(t) y Temperatura(T).
Ambos sistemas son equivalentes mediante la segunda Ley de
Newton: Fuerza(F) = Masa(M). Aceleración(a)= [M. L/t2]
Existen varios sistemas de unidades. En la actualidad son de uso común dos de
éstos:
El sistema inglés que se conoce como United States Customary System (USCS).
El SI métrico (de Le Système International d’ Unités), también llamado sistema
internacional.
 Representación dimensional

1.- Velocidad(v) = Espacio/ Tiempo = [ L/ t]

2. Presión (p) = Fuerza/ Área = [F/ L2]
3. Energía o Trabajo (w) = Fuerza. Desplazamiento= [F.L]
4. Densidad = Masa/ Volumen = M/ L3 ]
Sistema Internacional de Unidades (SI)
Homogeneidad dimensional
EJEMPLO 1-1 Generación de potencia eléctrica mediante una turbina eólica Una
escuela paga $0.09/kWh. Para reducir sus costos de energía, la escuela instala
una turbina de viento (Fig. 1-13) con una potencia nominal de 30 kW. Si la
turbina trabaja 2 200 horas por año a su potencia nominal, determine la
cantidad de energía eléctrica generada por la turbina y el dinero que ahorra la
escuela por año.

1. DATOS: 2. ESQUEMA E cinética E mecánica E eléctrica

Ce = 0.09 $
/kWh 3. CALCULAR:
Wt =30 kW Eel = ?
t= 2200 h Ahorro = ?
4. SOLUCIÓN
Energía total = (Energía por unidad de tiempo)(Intervalo de tiempo)
= (30 kW)(2 200 h) = 66 000 kWh

La cantidad que se ahorra por año es el valor monetario de esta energía determinada
como: Dinero ahorrado = (Energía total)(costo unitario de energía)
= (66 000 kWh)($0.09/kWh) = $5 940
ANALIZAR: ESTUDIO INDEPENDIENTE
 1.3. Temperatura y ley cero de la termodinámica.

Temperatura

 Aun cuando estamos familiarizados con la temperatura como una

medida del “calor” y el “frío”, no es fácil ofrecer una definición exacta
de este concepto.
 Con base en nuestras sensaciones fisiológicas, se expresa el nivel de
temperatura de modo cualitativo con palabras como frío helador, frío,
tibio, caliente y al rojo vivo; sin embargo, no es posible asignar valores
numéricos a temperaturas basándose únicamente en las sensaciones.
 Además, en ocasiones los sentidos engañan. Una silla metálica, por
ejemplo, se sentirá mucho más fría que una silla de madera aun cuando
ambas estén a la misma temperatura.
 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. 1-35).
 En ese punto se detiene la transferencia de calor y se dice que los dos cuerpos
han alcanzado el equilibrio térmico. Para el cual el único requerimiento es la
igualdad de temperatura.
LA ENERGÍA CINÉTICA PROMEDIO DEPENDE DE LA
TEMPERATURA DEL MEDIO
Ley cero de la Termodinámica
1.Escala Celsius (antes llamada escala centígrada.
A los puntos de hielo y de vapor se les asignaron originalmente
los valores de 0 y 100 °C, respectivamente.
2. Escala Fahrenheit
Los valores correspondientes en la segunda son 32 y
212 °F.
3. Escala Kelvin. Escala independiente de las propiedades de
cualquier sustancia o sustancias. Es la escala de temperatura
termodinámica en el SI. La temperatura mínima en esta escala es
el cero absoluto, o 0 K.
4. Escala Rankine. Es la escala de temperatura termodinámica en
el sistema inglés, nombrada en honor a William Rankine (1820-
1872), cuya unidad de temperatura es el rankine, el cual se
designa mediante R
 Relación entre las distintas escalas.

Es una práctica común redondear la constante en la ecuación 1-9 a 273 y la de la ecuación 1-10
a 460.
Cuando se trata con diferencias de temperatura T, el intervalo de temperatura en
ambas escalas es el mismo.
Elevar la temperatura de una sustancia en 10 °C es lo mismo que elevarla en
10 K. Es decir
1.4. Presión

 La presión se define como la fuerza normal que ejerce un fluido por

unidad de área.
 Se habla de presión sólo cuando se trata de gas o líquido, mientras que
la contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo normal.
 Puesto que la presión se define como la fuerza por unidad de área,
tiene como unidad los newton por metro cuadrado (N/m2), también
conocida como pascal (Pa). Es decir:

Ver los siguientes videos

https://www.youtube.com/watch?v=GFR9l4M6NfY

https://www.youtube.com/watch?v=SGAjMq32ZPo
 Observe que las unidades de presión bar, atm y kgf/cm2 son casi equivalentes entre sí.
 En el sistema inglés, la unidad de presión es la libra fuerza por pulgada cuadrada (lbf/pulg2, o
psi), y 1 atm =14.696 psi.
 Las unidades de presión kgf/cm2 y lbf/pulg2 también se denotan por kg/cm2 y lb/pulg2,
respectivamente, y se usan regularmente en medidores de presión de llantas.
 Se puede demostrar que 1 kgf/cm2 =14.223 psi.
Otras tres unidades de presión de uso extendido, principalmente en
Europa, son bar, atmósfera estándar y kilogramo fuerza por centímetro
cuadrado:
 La presión real en una determinada posición se llama presión absoluta, y se mide
respecto al vacío absoluto (es decir, presión cero absoluta).
 Sin embargo, la mayor parte de los dispositivos para medir la presión se calibran a cero en
la atmósfera, por lo que indican la diferencia entre la presión absoluta y la atmosférica local;
esta diferencia es la presión manométrica.
 Las presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío y se
miden mediante medidores de vacío que indican la diferencia entre las presiones
atmosférica y absoluta.
 Las presiones absoluta, manométrica y de vacío son todas positivas y se relacionan entre sí
mediante
PARA PRESIONES POR ENCIMA DE LA
ATMOSFÉRICA

PARA PRESIONES POR DEBAJO DE LA

ATMOSFÉRICA
PRESIÓN
PRESIÓN ABSOLUTA
MANOMÉTRICA
Pabs
Pman

PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Patm

MAGNITUD DE VACÍO PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Pv Patm
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Patm

PRESIÓN ABSOLUTA
Pabs

VACÍO ABSOLUTO, Pabs=0

Pabs= Patm + Pman Pabs= Patm - Pv

 EJEMPLO 1( 1-5) Presión absoluta de una cámara de vacío

Un medidor de vacío conectado a una cámara marca 5.8 psi en un lugar donde la presión
atmosférica es de 14.5 psi. Determine la presión absoluta en la cámara.

1. DATOS Patm

Pv= 5,8 psi 2.ESQUEMA

pv
Pabs
Pat= 14,5 psi (libra fuerza
por pulgada cuadrada)

3.CALCULAR
Pabs= ?

4. SOLUCIÓN. Pabs= Patm- Pv =

= 14,5 – 5,8 = 8,7 psi

Comentario. Observe que para determinar la presión absoluta se usa el valor

local de la presión atmosférica.
 EJEMPLO 2. Presión absoluta en una cámara sometida a presión

Un manómetro conectado a una cámara marca 150 kPa en un lugar donde la presión
atmosférica es de 14,7 psi. Determine la presión absoluta en la cámara.
Patm
1. DATOS
P= 150 kPa Pabs
pm
2.ESQUEMA
Pat= 14,7 psi

3.CALCULAR
4. SOLUCIÓN.
Pabs= ?

1 psi = 6,89 kPa

Pabs= Patm + Pm =
= (14,7x 6.89)+ 150 = 251,3 kPa
Ejemplo 1-6. Determine la presión que indica el manómetro 1( P1) si la presión absoluta en el
recipiente A es 250 kPa, el manómetro 2 indica 80 kPa, el manómetro 3 indica 50 kPa, y la presión
atmosférica (Pat) es de 100 kPa.

PabsA= Pman 1 + PatmA

Patm Patm A = Pabs B
PabsA= Pman1 + PabsB (1)
Recinto A Pm1

Pm3
Pm2
PabsB= Pman2 + PatmB
Recinto B
Recinto
PatmB =PabsC
C Pabs B= Pman2 + Pabs C (2)

PabsC= Pman3 + Patm (3)

PabsB= Pman2 + Pman3 + Patm (4) PabsA= Pman1+ Pman2 + Pman3 + Patm

Pman1= PabsA- Pman2 - Pman3 - Patm Pman1= 250-80-50-100= 20 kPa

 Variación de la presión con la profundidad

 Es de esperar que la presión en un fluido en reposo no cambie en la dirección

horizontal.
 Esto se comprueba fácilmente al considerar una delgada capa horizontal de
fluido y hacer un balance de fuerzas en cualquier dirección, horizontalmente.
 Sin embargo, en dirección vertical éste no es el caso
en un campo de gravedad.
 La presión de un fluido se incrementa con la
profundidad debido a que una mayor cantidad de éste
descansa sobre las capas más profundas y el efecto de
este “peso extra” en una capa inferior se equilibra
mediante un aumento de presión.
 Ecuación para la variación de presión con la profundidad,

Considerando un elemento rectangular de fluido de altura Δz,

longitud Δx, y profundidad unitaria en equilibrio, como se ilustra
en la figura:

Suponiendo que la densidad del fluido ρ es constante, un

balance de fuerzas en la dirección vertical Δz da:

donde W = mg = ρg Δx Δz , es el peso del elemento de fluido. Al dividir entre Δx y

reordenando, se obtiene:
donde γ =ρ. g es el peso específico de fluido.
ΔP= P2 – P1 = ρgΔZ = γ ΔZ Se concluye que la diferencia de presión entre dos puntos en
P2= P1 + ρgΔZ un fluido de densidad constante es proporcional a la
distancia vertical Δz entre los puntos y la densidad ρ del
fluido.
 En otras palabras, la presión de un fluido se incrementa de forma lineal con la profundidad.
 Esto es lo que experimenta un buzo cuando se sumerge en la profundidad de un lago.
 Para un determinado líquido, la distancia vertical Δz se usa a veces como medida de la
presión, y se llama carga de presión que no es mas que la presión expresada en
columna de líquido (hliq ):
hliq = ΔZ = P / (ρ.g)

¿ CAMBIARÁ LA PRESIÓN EN EL FONDO DE LOS RECIPIENTES ?

ΔZ
 Para distancias pequeñas a moderadas la variación de la presión con el peso es insignificante
para gases debido a su baja densidad.
 Por ejemplo, la presión en un depósito que contiene gas se puede considerar uniforme
puesto que el peso del gas es demasiado pequeño como para que constituya una diferencia
importante.
 También, la presión en una habitación llena de aire se puede suponer constante.
Si se considera que el punto 1 está sobre la superficie libre de un líquido abierto a la
atmósfera según la figura:

donde la presión es la presión atmosférica- Patm,

entonces la presión a la profundidad h desde la
superficie libre se convierte en
El video anterior lo pueden encontrar
en:

https://www.youtube.com/watch?v=oYykntrc_kY
 BARÓMETRO Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La presión atmosférica se mide mediante un dispositivo conocido como barómetro; así,

la presión atmosférica se denomina por lo común presión barométrica.

 La presión en el punto B es igual a la presión

atmosférica, y la presión en C se puede considerar
como cero puesto que sólo hay vapor de mercurio
arriba del punto C y la presión es muy baja en
relación con Patm lo que permite ignorarla y obtener
una excelente aproximación.
 Al escribir un balance de fuerzas en la dirección
vertical, se obtiene
EJERCICIO PROPUESTO. El manómetro conectado al recipiente situado al nivel
del mar marca un valor Pm. Si el recipiente asciende una altura de 10 000 m,
¿Qué le sucede a la lectura del manómetro( Pm´): Aumenta, disminuye o no
cambia?. En relación a Pm. Justifique

AIRE Pm´ ?

10 000 M ATMÓSFERA

AIRE Pm
 TÉCNICAS PARA RESOLVER
PROBLEMAS

Paso 1: Enunciado del problema

Paso 2: Esquema
Paso 3: Suposiciones y aproximaciones
Paso 4: Leyes físicas
Paso 5: Propiedades
Paso 6: Cálculos
 Bibliografía

1. Termodinámica, Cengel A. Yunes. Capítulo 1.

2. Páginas web:
https://www.youtube.com/watch?v=mAauNsAny8Q
http://es.slideshare.net/rafa_silva/clase-conceptos-bsicos-de-termodinamica
https://www.youtube.com/watch?v=GFR9l4M6NfY
https://www.youtube.com/watch?v=SGAjMq32ZPo