termodinámica

1. Tema 6: Principios de la
termodinámica

2. 1. Definición
La termodinámica es la parte de la física que se ocupa de las
relaciones existentes entre el calor y el trabajo.
El calor es una forma de energía, y al suministrar calor a
ciertos dispositivos, estos lo transforman en trabajo mecánico
útil, y en pérdidas por calor.
Una máquina térmica es un dispositivo capaz de aprovechar
el calor que recibe para producir trabajo útil. El calor que
recibe (que se puede obtener de una reacción química,
combustión) , lo absorbe un sistema, normalmente un
fluido, que irá transformando parte de esa energía
térmica en energía mecánica. El fluido realiza una serie
de transformaciones termodinámicas, y en ellas se
puede calcular el trabajo y también el rendimiento de la
máquina.

3. 2.Sistema termodinámico
Todo análisis termodinámico debe partir de la elección del sistema y
de los alrededores, considerando sistema a la región del espacio
(con paredes reales o imaginarias) sobre la que se analizarán los
intercambios energéticos, mientras los alrededores se refieren a la
región que interactúa sobre el sistema.
● Definimos pues:
– Sistema abierto: Aquel en el que hay un posible intercambio de
calor y materia con el exterior.
– Sistema cerrado: Sólo es posible el intercambio de energía con el
exterior.
– Sistema aislado: no se puede intercambiar con el exterior materia
o energía.
● Por ejemplo: Un sistema puede ser un motor térmico (particularmente
los cilindros del motor) y los alrededores del sistema sería el medio
ambiente exterior

4. ● Un sistema ( cuerpo) esta definido por una serie de
variables físicas presión (P), volumen () , temperatura (T)
y cantidad (n). El sistema intenta siempre estar en
equilibrio, para ello tendrá que cambiar alguna de las
variables físicas que lo definen cuando realiza o recibe
trabajo .
● Cuando un cuerpo absorbe energía en forma de calor,
aumenta su energía interna que se manifiesta en aumento
de temperatura, para equilibrarse el sistema se dilata
aumentando de volumen y realizando a su vez un
trabajo) .
● Cuando aumento de volumen, el trabajo se considera
positivo, y cuando disminuye el volumen, el es negativo.
● La ecuación de los gases ideales:
P= Presión absoluta V= Volumen n= Moles de gas
R= Constante universal de los gases ideales T= Temperatura absoluta
P⋅ν=n⋅ℝ⋅T

5. ● Un sistema ( cuerpo) esta definido por una serie de
variables físicas presión (P), volumen () , temperatura (T)
y cantidad (n). El sistema intenta siempre estar en
equilibrio, para ello tendrá que cambiar alguna de las
variables físicas que lo definen cuando realiza o recibe
trabajo .
● Cuando un cuerpo absorbe energía en forma de calor,
aumenta su energía interna que se manifiesta en aumento
de temperatura, para equilibrarse el sistema se dilata
aumentando de volumen y realizando a su vez un
trabajo) .
● Cuando aumento de volumen, el trabajo se considera
positivo, y cuando disminuye el volumen, el es negativo.
● La ecuación de los gases ideales:
P= Presión absoluta V= Volumen n= Moles de gas
R= Constante universal de los gases ideales T= Temperatura absoluta
P⋅ν=n⋅ℝ⋅T

6. 3.Principios de la termodinámica
● Primer principio: Básicamente, dice que hay
dos formas de variar o modificar la energía
interna de un sistema, o lo que es lo mismo, un
sistema intercambia energía con elexterior de
dos maneras diferentes:
– En forma de calor, cuando existe una diferencia de
temperatura.
– En forma de trabajo.
También se puede interpretar así: el calor
suministrado se emplea en producir trabajo y en
aumentar la energía interna de un sistema.

8. ● Segundo principio:Se puede enunciar de
muchas formas según la situación, pero
veamos su definición aplicado a un motor
térmico. Según este principio, el calor se
intercambia de forma natural y espontánea de
un foco de calor más caliente (T1) a otro foco
más frío ( a temperatura T2).
Pues bien, una máquina cíclica que actúa entre
dos focos a distintas temperaturas absorbe calor
del foco caliente para convertir una parte en
trabajo y el resto pasa al foco frío.

9. Cuanto menor sea el intercambio del calor del foco caliente al frío, más cantidad de calor
se transforma en trabajo. En una máquina ideal, el calor cedido por el foco caliente (Q1)
se transformaría totalmente en trabajo.

10. El rendimiento de un motor térmico sería: η = W/Q1
siendo W el trabajo útil realizado por la máquina Q1el calor que cede el foco caliente se
puede deducir que, dado que Q1= W + Q2.
η =( Q1−Q2 )/Q1
η = 1 – Q2/Q1
El segundo principio en las máquinas frigoríficas: Las máquinas frigoríficas
funcionan a la inversa de las máquinas térmicas, es decir, absorben una cantidad de
calor Q2 de un foco frío y ceden calor Q1 a un foco caliente, consumiendo trabajo, W.
Para estas máquinas se define eficiencia como la relación entre el calor absorbido del
foco frío y el trabajo necesario para ello.
Eficiencia ε = Q2/W
ε =Q2/(Q1−Q2)
El trabajo lo suministra el compresor
El mejor ciclo de refrigeración (el
ideal) sería aquel que extrae la
mayor cantidad de calor Q2 del foco
frío a temperatura T2 con el mínimo
de trabajo, e incluso, sin trabajo.

12. 4. Diagramas
● Ejemplo de diagrama P-V de un ciclo abierto :
Partiendo de un estado (P1,V1), y llegando a un estado (P2,V2) , el
trabajo realizado no tiene porqué ser el mismo”. Recuerda que este
proceso es abierto, ya que los estados inicial (1) y finales (2) no
coinciden .
En este ejemplo si recorría el trayecto corto y directo (la curva) realizaba
más trabajo (hay más area)que haciendo el recorrido en dos etapas.
Sin embargo, la energía interna inicial y la energía interna final no van a
depender del recorrido. Es decir:
la variación de energía interna entre dos estados de un diagrama PV no
depende del recorrido realizado, sino solamente de la posición del estado
inicial y la posición del estado final.

13. ● Otro ejemplo: Partiendo de la ecuación de
los gases perfectos, se pueden obtener las
expresiones de trabajo realizado, calor
absorbido y variación de energía interna del
sistema.
– Ecuación de estado de un gas ideal
– p.V = n.R.T (P·V)/T=cte
– Trabajo W = F.d = p.s.d = p. ΔV
– Calor Q = m.Ce. ΔT = n. Ce. T
Primer principio de la termodinámica Q = W + ΔU
U = Q –W.
– ΔU = variación de energía interna del sistema

14. 5. transformaciones del sistema
termodinámico
● Proceso isocoro: Es aquel en el que el volumen
del gas no varía a lo largo del proceso. En este
caso, al no existir ni expansión ni compresión,
no se realiza ningún trabajo, aunque la presión
sí puede elevarse o disminuir.
– En este caso WA-->B = 0. y según el primer
principio: ΔU = Q

15. ● Proceso isobárico: Es aquel que se realiza a
presión constante, es decir, que en todo
momento, al pasar del estado A al estado B, la
presión nunca varía.
● Si un gas pasa del estado inicial A hasta el
estado final B,como en el de la gráfica, en este
caso se da una expansión isobárica. El sistema
ha realizado trabajo.
● WA-->B = PΔV

16. ● Proceso isotérmico: Es el que se realiza a
temperatura constante en todo momento
(T=cte)
Si un gas pasa del estado inicial A hasta el estado
final B como el de la gráfica, en este caso se da
una expansión isotérmica. El sistema ha realizado
trabajo, pero temperatura no ha variado. Debido a
ello, la variación de energía interna es nula y en
base al primer principio, podemos afirmar que
●
●

17. Proceso adiabatico: Es el proceso en el que no hay
intercambio de calor entre el sistema termodinamico y el
entorno (Q = 0).
Si un gas pasa del estado inicial A, hasta el estado final
B como el de la grafica, en este caso se da una
expansion adiabatica. El sistema ha realizado trabajo y la
temperatura ha descendido de TA hasta TB. En este
caso, en base al primer principio, la energia interna del
sistema es ΔU = -W

19. 6. ciclo de Carnot
Carnot, en 1824, estableció el ciclo termodinámico ideal de una máquina
térmica, de la que se podría obtener el máximo rendimiento teórico.
Este ciclo se conoce con el nombre de “Ciclo de Carnot” y es un ciclo reversible
formado por dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas. Es un
ciclo teórico e ideal que no puede realizar ninguna máquina térmica.
Un ciclo reversible es aquel que puede realizarse en sentido horario y
antihorario, y además la inversión se puede realizar en cualquier punto.
Este ciclo es ideal, no real.
Caracteristicas:
1. Actuan entre dos focos de calor,
el caliente a temperatura T1 y el frio a
temperatura T2
2. Se realizan en cuatro etapas o tiempos
3. Se considera reversible

22. Ejercicios
Ejercicio 1: Dada la gráfica de la figura, que muestra un ciclo termodinámico,
calcula el trabajo realizado por el sistema, suponiendo que el ciclo se realiza
siguiendo el sentido de las agujas del reloj.
Ejercicio 2:
Un motor térmico de 120 CV consume 250.000 Kcal/h. Calcula el
rendimiento del motor y el calor suministrado al foco frio.
Ejercicio 3:
Una máquina térmica que sigue un ciclo de Carnot toma 1100 Kcal del
foco caliente a 380ºC y cede 500 Kcal al foco frio. Calcula:
a) Rendimiento de la máquina
b) Temperatura del foco frio

23. Ejercicio 4:
Un motor térmico que describe el ciclo ideal de Carnot
presenta un rendimiento del 45% cuando la temperatura
ambiente es de 10ºC. Calcula:
a) Temperatura del foco caliente
b) ¿En cuántos grados se tendría que aumentar la
temperatura del foco caliente para alcanzar un rendimiento
del 60%?
Ejercicio 5:
Una máquina funciona según el ciclo reversible de Carnot
entre dos focos a -3 ºC y 22 ºC y recibe desde el exterior una
energía de 7000 KJ. Calcula:
a) Eficiencia de la máquina cuando funciona como máquina
frigorífica
b) Eficiencia de la máquina cuando funciona como bomba de
calor
c) Energía térmica entregada al foco caliente d) Energía
térmica absorbida desde el foco frio

24. 6. PAU Junio 2009/2010
De acuerdo al segundo principio de la termodinámica:
a) Explique el fundamento del funcionamiento de los motores
térmicos
b) Explique el fundamento del funcionamiento de las máquinas
frigoríficas
7 PAU Septiembre 2009/2010
Algunos productos hortofrutícolas pueden conservarse a una
temperatura comprendida entre 6 y 12°C durante varios días hasta
el momento de su consumo. Para conseguir que la temperatura de
la cámara de un almacén sea constantemente 10°C se emplea
una máquina térmica reversible que funciona de acuerdo al Ciclo
de Carnot. Considerando que la temperatura media en el exterior
es de 5°C en invierno, y 25°C en verano, calcule:
a) La eficiencia de la máquina térmica en la época de invierno, y
en la de verano
b) El calor retirado de la cámara o aportado a la misma en cada
estación, si la potencia calorífica utilizada es de 3 kW

25. 8. PAU Septiembre 2009/2010
Una máquina térmica funciona de acuerdo con un ciclo de Carnot
perfecto entre las temperaturas T1 = 256ºC y T2 = 77ºC. Si el calor
tomado del foco caliente es de 1350 J, determine:
a) Rendimiento de la máquina.
b) Calor aportado al foco frío.
c) Trabajo realizado.
d) Temperatura del foco frío si se desea conseguir un rendimiento del
ciclo del 56%.
9. PAU Septiembre 2007/2008
Una máquina frigorífica de 1,5 kW de potencia mantiene una
temperatura en su interior de 1°C, funcionando de acuerdo al Ciclo de
Carnot. Considerando que el valor de la temperatura en el exterior de la
máquina se mantiene constante en 18°C, calcule:
a) El rendimiento de la máquina
b) El calor eliminado por unidad de tiempo del interior del frigorífico
c) El calor aportado por unidad de tiempo al exterior del frigorífico