Este documento presenta los conceptos básicos de la termodinámica, incluyendo las leyes cero, primera y segunda de la termodinámica. Explica conceptos como trabajo termodinámico, procesos isotérmicos, isobáricos y adiabáticos. También describe el funcionamiento de las máquinas térmicas y la eficiencia térmica.

1. LAS LEYES
DE LA
TERMODINAMICA
Yeison
Josué
Jesús Andrés

2. CONCEPTOS BÁSICOS
• ¿QUE ES LA TERMODINÁMICA?
• EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
1 caloría = 4,18 joules
• INTERCAMBIO DE ENERGÍA
En un sistema, el intercambio de energía se produce sólo
de dos formas:
• Mediante el calor que se intercambia por diferencias
de temperaturas.
• Mediante un trabajo cuando una fuerza realiza un
desplazamiento o deformación de un cuerpo.

3. CONCEPTOS BÁSICOS
La ecuación de estado de los gases ideales sigue la expresión:
𝑝 ⋅ 𝑉 = 𝑛 ⋅ 𝑅 ⋅ 𝑇
Donde:
• p : Presión. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el pascal ( Pa ) aunque también se suele usar
la atmósfera ( atm ). 1 atm = 101325 Pa
• V : Volumen. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es metro cúbico ( m3 ) aunque también se suele
usar el litro ( l o L ). 1 L = 1 dm3= 10-3m3
• n : Número de moles. Un mol de una sustancia se compone del número de Avogadro, NA = 6.023·1023 La
unidad de medida para el número de moles es el mol ( mol )
• R : Constante universal de los gases. Su valor en unidades del Sistema Internacional es R = 8.31 J /
mol·K, aunque también se usa R = 0.083 atm·l / mol·K
• T : Temperatura. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin ( K ) aunque también se suele
usar el grado centígrado o celsius ( ºC ). T = tC + 273.15

4. LEY CERO DE LA
TERMODINAMICA

5. LEY CERO DE LA
TERMODINAMICA
La ley cero de la
termodinámica establece
que, cuando dos cuerpos
están en equilibrio
térmico con un tercero,
estos están a su vez en
equilibrio térmico entre sí

6. PRIMERA LEY DE LA
TERMODINAMICA

7. Criterio IUPAC
(La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada)
Se considera positivo aquello que aumenta la
energía interna del sistema, o lo que es lo
mismo, el trabajo recibido o el calor absorbido.
𝛥𝑈 = 𝑄 + 𝑊
Se considera positivo el calor absorbido y el
trabajo que realiza el sistema sobre el entorno.
𝛥𝑈 = 𝑄 − 𝑊
Criterio tradicional
PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA

8. PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA
𝛥𝑈 = 𝑄 + 𝑊 ó 𝛥𝑈 = 𝑄 − 𝑊
Donde:
• ∆U : Incremento de energía interna del sistema ( ∆U = Ufinal - Uinicial ). Su unidad de
medida en el Sistema Internacional es el julio ( J ).
• Q : Calor intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el
Sistema Internacional es el julio ( J ), aunque también se suele usar la caloría ( cal ).
1 cal = 4.184 J
• W : Trabajo intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el
Sistema Internacional es el julio ( J ).
Ejemplo:
¿Cuál es el incremento en la energía interna de un sistema si se le suministran 700 calorías
de calor y se le aplica un trabajo de 900 Joules?

9. TRABAJO
TERMODINÁMICO

10. TRABAJO
TERMODINÁMICO
Se denomina trabajo termodinámico a la
transferencia de energía entre el sistema y
el entorno por métodos que no dependen
de la diferencia de temperaturas entre
ambos. Es capaz de variar la energía
interna del sistema.

11. Criterio IUPAC
(La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada)
𝑊𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = −𝑝 ⋅ 𝛥𝑉 𝑊𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑝 ⋅ 𝛥𝑉
Criterio tradicional
Trabajo termodinámico
Presión - Volumen

12. Trabajo termodinámico
Presión - Volumen
𝑊𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = −𝑝 ⋅ 𝛥𝑉 ó 𝑊𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑝 ⋅ 𝛥𝑉
Donde:
• Wsistema : Trabajo intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema
Internacional es el julio ( J )
• p : Presión. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el pascal ( Pa ) aunque también se
suele usar la atmósfera ( atm ). 1 atm = 101325 Pa
• ∆V : Variación de volumen ( ∆V=Vf - Vi ). Su unidad de medida es metro cúbico ( m3 ) aunque
también se suele usar el litro ( l o L ). 1 L = 1 dm3 = 10-3 m3
Ejemplo:
¿Qué calor se intercambia en un proceso cuando se realiza un trabajo de 850 J, sabiendo que
la diferencia de energía interna entre sus estados inicial y final es de 3 kJ? Suponiendo que el
trabajo lo realiza un gas a una presión de 2 atm, ¿qué variación de volumen tiene lugar en el
proceso?

13. LÍNEA ISOTÉRMICA
Se denominan isotermas a las lineas que representan igual
temperatura. Siguen la expresión pi⋅Vi=n⋅R⋅Ti=cte y corresponden
con el conjunto de puntos que tienen, además, igual energía interna

14. PROCESO CÍCLICO
En un proceso cíclico, la temperatura inicial y final es la misma, por tanto la
energía interna del sistema no varía ΔU=Uf−Ui=0 , independientemente del
camino seguido. Sin embargo recuerda que calor y trabajo intercambiados en el
proceso no son funciones de estado y sí dependen, en general, del camino

15. PROCESO CÍCLICO
Para determinar el incremento de energía interna ΔU en cualquier tipo de proceso, se
utiliza la expresión 𝛥𝑈 = 𝑚 ⋅ 𝑐𝑣 ⋅ 𝛥𝑇 . ¿De donde viene? En un proceso a volumen
constante (denominado proceso isocórico) no se realiza trabajo, pues el área bajo la
curva del proceso es 0 y, en consecuencia, la primera ley de la termodinámica queda:
𝛥𝑈 = 𝑄
El calor recibido por un gas a volumen constante viene dado por la expresión
𝑄 = 𝑚 ⋅ 𝑐𝑣 ⋅ 𝛥𝑇 .
Combinando las dos expresiones anteriores, nos queda justamente la expresión
buscada.
𝛥𝑈 = 𝑚 ⋅ 𝑐𝑣 ⋅ 𝛥𝑇

16. PROCESO CÍCLICO
Combinando las dos expresiones
anteriores, nos queda justamente la
expresión buscada.
𝛥𝑈 = 𝑚 ⋅ 𝑐𝑣 ⋅ 𝛥𝑇
Ejemplo
Determina la variación de energía
interna que experimentan 10 g de gas
cuya temperatura pasa de 34 ºC a 60 ºC
en un proceso a volumen constante
sabiendo que su calor específico viene
dado por cv = 0.155 cal/g·ºC.

17. TIPOS DE PROCESOS

18. TIPOS DE PROCESOS
Los procesos termodinámicos se suelen clasificar en:
• 𝑄 = 0 Procesos adiabáticos. Aquellos en los que el sistema no intercambia calor. En
estos casos 𝛥𝑈 = 𝑊 ó 𝛥𝑈 = −𝑊 , según criterio de signos elegido), es decir, el trabajo es
función de estado. Cuando comprimimos o expandimos un gas en un proceso en el que no
se intercambia calor, variamos su energía interna y, por tanto, su temperatura
• 𝑉 = 𝑐𝑡𝑒. Procesos isocóricos. Aquellos en los que el volumen permanece constante. Al
no haber variación de volumen, el trabajo del sistema es cero. 𝑊𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 0 .Nos
queda ΔU=Q , es decir, el calor es una función de estado. Esto significa que la única forma
de variar la energía interna en un proceso en el que no se varía el volumen es a través del
intercambio de calor

19. TIPOS DE PROCESOS
• 𝑝 = 𝑐𝑡𝑒. Procesos isobáricos. Aquellos en los que la presión permanece constante. El
valor del trabajo se calcula a partir de la expresión 𝑊𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑝 ⋅ 𝛥𝑉 ó 𝑊𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 =
− 𝑝 ⋅ 𝛥𝑉 , según criterio IUPAC o tradicional respectivamente.
Por otro lado, este tipo de procesos permiten definir una nueva variable de estado, la entalpía
H. De manera que:
Donde, como ves, la expresión de la entalpía no depende del criterio de signos seguido para
llegar a ella.
𝛥𝑈 = 𝑄 + 𝑊
𝛥𝑈 = 𝑄 − 𝑊
𝑈2 − 𝑈1 = 𝑄 − 𝑝 ⋅ 𝑉2 − 𝑉1 ⇒
⇒ 𝑄 = 𝑈2 + 𝑝 ⋅ 𝑉2 − (𝑈1 + 𝑝 ⋅ 𝑉1)
= 𝐻2 − 𝐻1 = 𝛥𝐻

20. TIPOS DE PROCESOS
• 𝑇 = 𝑐𝑡𝑒. Procesos isotérmicos. Aquellos en los que la temperatura permanece
constante. Por ejemplo, un recipiente con gas y un pistón en la zona superior,
sumergido en un depósito calorífico a temperatura constante. Al ser la temperatura
constante, la variación de energía interna es cero 𝛥𝑈 = 0 y en consecuencia:
𝛥𝑈 = 𝑄 + 𝑊 0 = 𝑄 + 𝑊 𝑄 = −𝑊
𝛥𝑈 = 𝑄 − 𝑊 0 = 𝑄 − 𝑊 𝑄 = 𝑊

21. SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA

22. SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINAMICA
La segunda ley de la termodinámica se
expresa en varias formulaciones
equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck
No es posible un proceso que convierta
todo el calor absorbido en trabajo.
Enunciado de Clausiois
No es posible ningún proceso cuyo
único resultado sea la extracción de
calor de un cuerpo frío a otro más
caliente.

23. MÁQUINAS TÉRMICAS
Una máquina térmica transforma energía
térmica en trabajo realizando un ciclo de
manera continuada. En ellas no hay
variación de energía interna, ΔU=0 .

24. Estructura
Dado que T1 > T2 , el calor fluye de manera espontánea
desde la fuente al sumidero. La máquina transforma
parte de este calor en trabajo, y el resto fluye al
sumidero. No existe variación en la energía interna de
la máquina resultando:
𝛥𝑈 = 0 ⇒ |𝑄1| = |𝑊| + |𝑄2|
Observa que, en condiciones óptimas:
|𝑊| = |𝑄1| − |𝑄2| ⇒ |𝑊| < |𝑄1|
Es decir, no todo el calor que absorbe la máquina se
transforma en trabajo.

25. Estructura
Maquina Imposible Sin Sumidero De
Transferencia De Calor

26. FUNCIONAMIENTO
El proceso cíclico de una máquina térmica sigue los siguientes pasos:
I. La fuente de calor, por ejemplo una caldera, a una temperatura T1 , inicia una
transferencia del mismo Q1a la máquina. Esta transferencia es posible por la
diferencia de temperatura con el sumidero, a una temperatura T2
II. La máquina emplea parte de ese calor en realizar el trabajo W . Por ejemplo, el
movimiento de un pistón
III. El resto de calor Q2 se transfiere a un sumidero de calor, por ejemplo un circuito
de refrigeración, a una temperatura T2 < T1
IV. El proceso anterior se repite de manera continuada mientras la máquina se
encuentra en funcionamiento.

27. EFICIENCIA
TERMICA

28. EFICIENCIA TÉRMICA
El rendimiento o eficiencia térmica es la relación
entre el trabajo realizado y el calor suministrado a la
máquina en cada ciclo. Su expresión viene dada por:
𝜂 =
𝑊
𝑄1
=
𝑄1 − 𝑄2
𝑄1
= 1 −
𝑄2
𝑄1Donde:
• η : Rendimiento o eficiencia térmica. Representa la parte de
calor que la máquina aprovecha para realizar trabajo. ( η = 1
significa rendimiento del 100% )
• W : Trabajo realizado por la máquina.
• Q1 , Q2 : Calor. Representa el flujo de calor transferido entre la
fuente y la máquina y la máquina y el sumidero
respectivamente.

29. MAQUINA DE CARNOT

30. ENTROPÍA
La entropía (S) es una medida del estado
de desorden o agitación de las moléculas de un
cuerpo. Cuanto mayor sea el desorden molecular,
mayor es la entropía del cuerpo.
Si un cuerpo absorbe calor Q mateniéndose a la
temperatura T, experimenta un aumento de
entropía (ΔS) dado por la expresión:
ΔS =
𝑄
𝑇

31. TERCERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA

32. TERCERA LEY DE
LA
TERMODINÁMICA
Este estudio es más avanzado
y complejo. Su enunciado es:
La entropía de todas las
sustancias en el cero
absoluto puede considerarse
que es cero.

33. EJEMPLOS APLICANDO
ECUACIONES
1. Cuál es la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministrarán 8.000
calorías para obtener 25.200 Joules de calor de salida?
2. Calcular la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le suministran 5.8 x 10^8
cal, realizando un trabajo de 8.3 x10^7 J.
3. Suponga que una persona le comenta que construyó una máquina térmica la cual, en
cada ciclo, recibe 100 cal de la fuente caliente y realiza un trabajo de 418 J. Sabiendo
que 1 cal = 4.18 J. ¿Qué puede opinar al respecto?

34. GRACIAS