Este documento define conceptos básicos de termodinámica como sistemas abiertos y cerrados, propiedades intensivas y extensivas, y estados y procesos termodinámicos. También define propiedades como densidad, volumen específico, presión y temperatura. Explica los tipos de calor como calor sensible, latente y específico, así como los mecanismos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación. Por último, define el trabajo termodinámico y cómo puede expresarse en términos de presión y

1. 1
UNIDAD 1: DEFINICIONES Y CONCEPTOS BÁSICOS
OBJETIVO: Calcular el trabajo realizado por un sistema o sobre un sistema, el
cual puede ser abierto o cerrado con el uso de los diagramas .
1.1 Sistema termodinámicos
Un sistema termodinámico es una porción de espacio o cantidad de materia que se
selecciona para propósitos de análisis. (Manrique)
Todo lo ajeno al sistema se denomina alrededores, el límite entre el sistema y
sus alrededores, ya sea real o hipotético, se conoce como fronteras o límites
del sistema. Figura 1.1
 Sistema cerrado: se considera un sistema cerrado si no existe transferencia
de masa entre el sistema y sus alrededores. Ejemplo: gas en un tanque, aire
en un globo.
 Sistema abierto: el sistema es abierto cuando se presenta el flujo de masa
entre el sistema y sus alrededores. Ejemplo: una bomba de agua, una turbina,
un compresor, etc.
Figura 1.1: Sistemas termodinámicos
1.2 Propiedades, estado y proceso termodinámicos
Una propiedad termodinámica es una característica del sistema que puede
observarse de forma directa o indirecta, sin depender de la historia. (Manrique)
 Propiedades intensivas: las propiedades intensivas no dependen de la masa del
sistema; tienen el mismo valor en todo el sistema. Ejemplo: temperatura,
densidad, presión, volumen específico, calor específico, punto de fusión,
punto de ebullición, brillo, color, dureza, etc.
 Propiedades extensivas: las propiedades extensivas sí dependen de la masa del
sistema. El valor de una propiedad extensiva en todo el sistema es la suma de
valores de las diferentes partes que lo forman. Ejemplo: el volumen, el peso,
capacidad calorífica, etc.
El estado o condición de un sistema puede conocerse mediante el conjunto de
valores de las propiedades termodinámicas en ese instante. Por lo general, las
propiedades que se utilizan para definir el estado del sistema son: la presión y
la temperatura, la presión y el volumen específico, o la temperatura y el
volumen específico.
Alrededores Energía
Energía +
materia
Sistema
aislado
Sistema
cerrado
Sistema
abierto
Frontera

2. 2
Un sistema está en estado de equilibrio termodinámico cuando no puede
experimentar de manera espontánea algún cambio de estado con 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 hacen regresar al sistema al
estado original, antes que ocurra el primer proceso.
La trayectoria es el conjunto de estados que atraviesa el sistema al realizarse
el proceso.
1.3 Definiciones
Densidad: la densidad es una magnitud relacionando la cantidad de masa contenida
un volumen de una sustancia, también conocida como densidad absoluta. La
densidad media está determinada por:
Donde es la densidad en Kg/m3
, la masa, y el volumen de la sustancia.
La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad
y la de otra sustancia de referencia.
Donde es la densidad relativa, es la densidad de la sustancia, y es la
densidad de referencia o absoluta.
Peso específico: se denomina peso específico a la relación entre el peso de una
sustancia y su volumen. También se la puede definir por su densidad.
Siendo el peso específico, la presión, el volumen, la densidad y la
gravedad.
Volumen específico: es el volumen ocupado por unidad de masa de una sustancia.
Por lo que se puede definir como la inversa de la densidad.
Donde es el volumen específico, el volumen, la masa, y la densidad.
Para un gas ideal se considera la siguiente expresión:
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)

3. 3
Siendo la constante universal de los gases ideales1
cuyo valor es ,
la temperatura, la presión del gas y la masa molar del gas.
Presión: se define como la fuerza normal a una superficie real o ficticia
ejercida por unidad de área del sistema. Se la define:
 Presión atmosférica: presión ejercida por la atmósfera sobre la superficie de
la tierra, que está determinada por la altura. La presión estándar al nivel
del mar es de 1.013,25 mbar. A una altura de 500 m, la presión disminuye a
955 mbar, y a 900 m queda a 307 mbar. La presión atmosférica también es
conocida como barométrica, ya que se la mide con un barómetro.
 Presión manométrica: es la medida con los manómetros, este equipo utiliza la
presión atmosférica como referencia.
 Presión absoluta: es la presión referida con respecto al nivel de presión
igual a cero.
En la figura 1.2 se parecía las diferencias de los tres términos de las
presiones.
Fuente: Manrique, 15
Figura 1.2: Relación de presiones
A continuación se presenta algunos factores de conversión de presión que es
necesario tener presente al momento de realizar cálculos:
1
Es una constante física que relaciona entre sí diversas funciones de estado termodinámicas, estableciendo
esencialmente una relación entre la energía, la temperatura y la cantidad de materia.
Presión atmosférica
Presión
absoluta
Presión
de vacío
Presión
atmosférica
Presión
manométrica
Presión
absoluta
(1.6)
(1.7)

4. 4
Temperatura de un fluido: Dice Manrique que «la temperatura es una propiedad
termodinámica muy utilizada, pero difícil de definir». La temperatura se asocia
con la actividad molecular (energía interna) del sistema o se la define en forma
indirecta. Está relacionada con las nociones comunes de frio y caliente. Puede
ser medida con los termómetros en su inmensa variedad disponibles, de las que se
suelen emplear cuatro escalas más conocidas: Celcius, Fahrenheit, Kelvin y
Rankine. (Tabla 1.1)
Tabla 1.1: Conversión de temperaturas
Celcius
[ ]
Fahrenheit
[ ]
Kelvin
[ ]
Rankine
[ ]
Celcius
[ ]
Fahrenheit
[ ]
Kelvin
[ ]
Rankine
[ ]
1.4 Calor
Definición: es la energía transferida de un sistema a otro, o de un sistema a
sus alrededores, debido a la diferencia de temperatura entre ellos (gradiente
térmico); en este proceso no se presenta intercambio de materia ni realización
de trabajo (Martínez, 14). El calor que absorbe o cede un sistema termodinámico
depende del tipo de transformación que ha experimentado dicho sistema.
Calor específico: es la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de
masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura 1 C (o
1 K). Es el cociente de la capacidad calorífica y la masa:
Correspondiente a un intervalo de temperatura se define:
Capacidad calorífica: la energía requerida para aumentar una unidad de
temperatura de una determinada sustancia o sistema termodinámico.
Calor latente: el la energía requerida por un sistema termodinámico (cantidad de
sustancia) para cambiar de fase: de sólido a líquido (calor de fusión), de
(1.8)
(1.9)
(1.10)
(1.11)

5. 5
líquido a gaseoso (calor de vaporización). Cabe señalar que este fenómeno se
presenta el cambio de fase sin variación de temperatura. Por ejemplo, el calor
latente del agua en su punto de fusión es de 334,4 kJ/kg a 0 C; y el de
vaporización es de 2.257 kJ/kg a 100 C.
Calor sensible: calor que se aplica a la sustancia que no cambia de fase y si
hay variación de la temperatura. (Vea figura 1.3)
Figura 1.3: Calor latente y sensible de los estados del agua
Mecanismo de transferencia: Existen tres tipos de transferencia de calor:
 Conducción: «La conducción es el mecanismo de transferencia del calor en
escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque
de las moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan
energía a las partículas menos energéticas, produciéndose un flujo de calor
desde las temperaturas más altas a las más bajas.»2
La ley de conducción de calor de Fourier establece que existe una
proporcionalidad de energía y el gradiente de temperatura; o calor
transferido por unidad de tiempo.
El signo negativo señala la conducción de calor en dirección decreciente
de la temperatura.
 Convección: cuando un fluido está en movimiento con diferente temperatura del
medio donde se desplaza. Se puede considerar el modelo llamado ley de
enfriamiento de Newton para definir la transferencia de calor por convección:
Donde es el coeficiente de convección, es la superficie que entrega
calor con una temperatura al fluido adyacente, que se encuentra a una
temperatura .
2
http://www.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap14.pdf
T [C]
t0 C
100 C
Calor sensible
Calor latente
de fusión
Calor latente
de vaporización
Vapor
Agua
Hielo
(1.12)
(1.13)

6. 6
 Radiación: la radiación térmica es la energía calorífica emitida, en todas
las direcciones, por la materia que se encuentra a una temperatura
determinada. A diferencia de las anteriores, no requiere de un medio de
transmisión, es producto de alteraciones en las configuraciones electrónicas
de los átomos y transportadas por ondas electromagnéticas o fotones
(radiación electromagnética). La longitud de onda y la frecuencia de esta
onda electromagnética determinan su energía, su visibilidad, su poder de
penetración y otras características. La energía de los fotones está
determinada por la ecuación de Planck.
Donde es la constante de Planck cuyo valor es 6,63E-64 .
1.5 Trabajo
Definición: es la energía transferida a través de la frontera de un sistema en
forma organizada y cuyo uso exclusivo sea la elevación de un peso (Howell). El
trabajo total por el movimiento a lo largo de una distancia diferencial es:
El trabajo realizado en una trayectoria finita entre los puntos y es:
∫
Diagrama P-V: en termodinámica se suele emplear las relaciones matemáticas de
trabajo en términos de presión, volumen y temperatura, lo que se logra
multiplicando el numerador y el denominador de la ecuación de trabajo por el
área de la sección transversal normal a la fuerza aplicada:
∫ ∫ [ ]
Ahora bien, como la presión es la fuerza normal por unidad de área, con una
determinada dirección, el producto punto de la integral anterior queda:
∫
El signo negativo en la integral es para indicar la disminución del volumen al
realizar el trabajo sobre el sistema.
Entonces, de acuerdo a Howell, «el trabajo se expresa en términos de la presión
del sistema multiplicada por el valor negativo del cambio del volumen e
integrando desde el estado inicial hasta el estado final del sistema sobre la
curva . El trabajo realizado para ir del volumen inicial v1 al volumen final
v2 es una integral de línea que ha sido reducida a una integral ordinaria, como
puede verse empleando un diagrama presión contra volumen específico (o volumen),
tal como se muestra en la gráfica de la figura 1.4. El valor negativo del área
bajo la curva del diagrama presión contra volumen específico simplemente resulta
(1.15)
(1.16)
(1.14)
(1.17)
(1.18)

7. 7
ser el trabajo realizado por unidad de masa, de acuerdo con la ecuación (1.18),
al pasar del volumen específico inicial al final.»
Figura 1.4: Presión vs. Volumen específico
Trabajo en sistemas cerrados: Manrique considerando un sistema cerrado simple,
estacionario (figura 1.5), en el que no existe fricción, y la presión es
uniforme, no necesariamente la presión es constante, y obtiene las siguientes
expresiones para trabajo:
Donde es el trabajo realizado por el sistema, la fuerza normal que actúa
sobre el área de sección transversal, y el desplazamiento.
También se lo expresa en términos de la presión del sistema:
Donde es el volumen del sistema.
Integrando la expresión (1.20), el trabajo total realizado por el sistema sobre
sus alrededores está definido de la siguiente manera:
∫
Fuente: Manrique, 29
Figura 1.5: Sistema cerrado y diagrama p-V
Nótese que el área bajo la curva de la figura 1.5 es idéntica a la expresión de
trabajo de 1.21. Si se tratase de un proceso cíclico, como lo muestra la figura
1
2
P1
P2
v1 v2
(1.19)
(1.20)
(1.21)
1
2
∫
Área
s
Límites del
sistema

8. 8
1.6, el área encerrada por el ciclo será el trabajo neto desarrollado por el
sistema. Esto es:
∫ ∫
∮
Siendo 1.23 la integral cíclica.
Fuente: Manrique, 30
Figura 1.6: Proceso cíclico
Ahora bien, si el sistema cerrado experimenta cambios significativos en
velocidad y altura, el trabajo total se representa con la siguiente expresión:
∫
̅ ̅
Donde es el volumen específico, ̅ es la velocidad del sistema, la altura, y
los subíndices 1 y 2 se refieren al estado inicial y final, respectivamente.
Trabajos en sistemas abiertos:
Para el trabajo en sistemas abiertos, transferencia de masa y energía, se lo
puede calcular por unidad de masa que desarrolla el sistema con la siguiente
fórmula:
∫
̅ ̅
b
a
(1.24)
(1.25)
(1.23)
(1.22)