Guia Pedagógica Conceptos Básicos.pdf

ING: CARLOS FUENTES TERMODINAMICA Página 1
1
GUIA PEDAGOGICA TERMODINAMICA
UNIDAD I. CONCEPTOS BASICOS
Termodinámica.
Es la parte de la física que estudia las transferencias de calor, la conversión de la energía y
la capacidad de los sistemas para producir trabajo. Las leyes de la termodinámica explican
los comportamientos globales de los sistemas macroscópicos en situaciones de equilibrio.
Proviene de dos disciplinas separadas hasta el Siglo XIX, la Termología y la Mecánica. La primera
se encargaba de los fenómenos exclusivamente térmicos y la segunda trataba el movimiento, la
fuerza y el trabajo.
La termodinámica tiene las siguientes características:
 Se aplica al estudio de sistemas que contienen muchas partículas y no al estudio de
moléculas, átomos o partículas subatómicas
 Estudia el sistema en situaciones de equilibrio, que son aquellas a las que sistema tiende a
evolucionar, y caracterizadas porque en ellas todas las propiedades del sistema quedan
determinadas por factores intrínsecos y no por influencias externas previamente aplicadas.
 Sus postulados son indemostrables, están basados en las experiencias y no en
razonamientos teóricos.
Componentes de un Sistema Termodinámico.

2
Sistema.
El sistema es la parte del universo que vamos a estudiar. Por ejemplo, un gas, nuestro
cuerpo o la atmósfera son ejemplos de sistemas que podemos estudiar desde el punto de
vista termodinámica.
TIPOS DE SISTEMAS
Homogéneo
Un sistema se
dice homogéneo cuando
(en ausencia de fuerzas
exteriores) sus variables
termodinámicas son
constantes a través de
todo el sistema.
Una columna de gas
en un campo
gravitacional se puede
considerar homogénea
aunque su densidad no
sea uniforme.
Heterogéneo
Un sistema en el cual las
variables termodinámicas
varían de un lugar a otro
en forma discontinua
Un sistema
constituido por hielo y
agua en equilibrio es
heterogéneo. Las
discontinuidades se
producen en las
interfases sólido-
líquido.

3
CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS
TIPO INTERCAMBIA EJEMPLO
Abierto
Masa y energía (trabajo o
calor)
Reacción química en tubo
de ensayo abierto
Cerrado Sólo energía Radiador de calefacción
Aislado Ni materia ni energía
Termo para mantener
bebidas a temperatura
constante
Adiabático
Ni materia ni calor, pero
si energía en forma de
trabajo
Termo con tapa que
permita variar volumen

4
Entorno o ambiente.
Todo aquello que no es sistema y que se sitúa alrededor de él, se denomina ambiente o
entorno. Los sistemas interaccionan con el entorno transfiriendo masa, energía o las dos
cosas.
Frontera o paredes del sistema.
A través de ellas se comunica el sistema con el entorno.
TIPOS DE FRONTERAS
Fijas
Mantienen el
volumen constante
Móviles
El volumen es
variable y depende
de la presión en el
lado del sistema y de
la del entorno
Conductoras o
Diatérmanas
Al conducir calor
permiten que la
temperatura a ambos
lados de la misma
sea igual
Adiabáticas
No conducen calor.
Son los aislantes
térmicos

5
Estado del Sistema.
Un sistema se encuentra en estado definido cuando todas sus propiedades poseen valores
específicos. Si a su vez estos valores no cambian con el tiempo, el sistema se dice que está
en equilibrio termodinámico, para el cual no existe un flujo de masa o energía.
Un estado termodinámico es un conjunto de valores de propiedades de un sistema
termodinámico que deben ser especificados para poder reproducir el sistema. Los
parámetros individuales se conocen como variables de estado, parámetros de estado
o variables termodinámicas.
Cuando un conjunto suficiente de variables termodinámicas ha sido especificado, los
valores de todas las demás propiedades del sistema quedan definidas inequívocamente. El
número de valores necesarios para especificar el estado depende del sistema, y no siempre
es conocido.
Estado de Equilibrio Termodinámico.
Los sistemas que se encuentran en la naturaleza suelen ser dinámicos y complejos, pero en
muchos casos sus estados se pueden describir aproximándose a las condiciones ideales.
Una de estas condiciones ideales es el estado de equilibrio. A partir de muchas
observaciones, la termodinámica postula que todos los sistemas que no tienen efecto en el
ambiente externo tenderán a cambiar con el fin de aproximarse al estado de equilibrio.
El estado de equilibrio es un objeto primitivo de la termodinámica clásica o de equilibrio,
en el que se denomina estado termodinámico. Hay varios tipos diferentes de equilibrio, que
corresponden a diferentes variables físicas, y un sistema alcanza el equilibrio
termodinámico cuando se satisfacen simultáneamente las condiciones de todos los tipos
relevantes de equilibrio.
A continuación, se enumeran algunos tipos diferentes de equilibrio.
 Equilibrio térmico: cuando un sistema en equilibrio térmico la temperatura en todo
un sistema es uniforme, el sistema está en equilibrio térmico.
 Equilibrio mecánico: si en cada punto dentro de un sistema dado no hay cambio de
presión con el tiempo, y no hay movimiento de material, el sistema está en
equilibrio mecánico.
 Equilibrio de fase: esto ocurre cuando la masa para cada fase individual alcanza un
valor que no cambia con el tiempo.
 Equilibrio químico: en el equilibrio químico, la composición química de un
sistema se ha estabilizado y no cambia con el tiempo.

6
Proceso Termodinámico.
Son los fenómenos físicos o químicos que involucran un flujo de calor (energía) o trabajo
entre un sistema y sus alrededores
Definido por el cambio en un sistema, un proceso termodinámico es un paso de un sistema
termodinámico desde un estado inicial a un estado final de equilibrio termodinámico.
Los estados inicial y final son los elementos definitorios del proceso.
Un proceso puede realizarse en forma reversible o irreversible. La diferencia entre ambos
es que un proceso reversible se lleva a cabo a través de una sucesión de equilibrios, cada
uno de los cuales difiere del anterior en un cambio infinitesimal de una variable de estado.
Por su parte, un proceso irreversible se lleva a cabo produciendo un cambio finito de una
de las variables de estado, de manera que el valor de las otras variables no puede ser
especificado en todo momento. Obviamente, un proceso reversible puede ser revertido en
todo momento, mientras que una irreversible no.
TIPOS DE PROCESOS
Cíclico El estado final coincide con el inicial.
Cuasi estático
Todos los estados intermedios del proceso
son estados de equilibrio. Este proceso
realmente no existe, es ideal o teórico.
Cuasi estático
de un Gas
La fuerza exterior se va reduciendo
infinitesimalmente. Todos los estados
intermedios son de equilibrio.
No Estático
Cuando no cumple las condiciones
anteriores. Son los procesos de igualación.

7
TIPOS DE PROCESOS EN FUNCIÓN DE LA VARIABLE
FIJADA
Proceso Variable Fijada
Isotermos o Isotérmicos
Se llevan a cabo a temperatura constante,
T=Cte.
Isobáricos
Se llevan a cabo a presión constante,
P = Cte.
Isocóricos
Se llevan a cabo a volumen constante,
V = Cte.
adiabáticos
se llevan a cabo sin transferencia de calor
entre el sistema y el entorno, se los llama
Q = 0
Fase.
Muchas veces conviene dividir un sistema heterogéneo en subsistemas, llamados fases,
imaginando nuevos límites en los lugares donde ocurren las discontinuidades. En
consecuencia, una fase es un subsistema homogéneo. Por ejemplo, un sistema que consiste
de hielo y agua se considera un sistema de dos fases, sea que el hielo esté en un único trozo
o dividido en varios fragmentos.
Sustancia Pura.
Es un material formado por un sólo constituyente, en oposición a una mezcla. Sustancia
pura no significa sustancia químicamente pura: sustancia pura es la que, en el intervalo de
propiedades estudiado, no se separa en sus componentes. Por ejemplo, en procesos físicos
(calentamiento o enfriamiento, compresión o expansión) a temperatura ambiente o superior,
el aire puede considerase una sustancia pura; pero en procesos químicos (reacciones de
combustión) o a bajas temperaturas (cuando se forma aire líquido al licuarlo), es necesario
considerar el aire como una mezcla de sus componentes (oxígeno, nitrógeno, entre otros).

8
Propiedades o Variables Termodinámicas.
Dentro de la termodinámica, una propiedad física es cualquier propiedad que se puede
medir y cuyo valor describe el estado de un sistema físico. El objetivo aquí será
introducir propiedades termodinámicas, que se utilizan en termodinámica de
ingeniería. Estas propiedades se aplicarán aún más a los sistemas de energía y, finalmente,
a las centrales térmicas o nucleares.
Variables Termodinámicas.
Se clasifican en dos tipos, atendiendo a su dependencia o independencia con la cantidad
total de materia presente en el sistema. Así, tenemos:
Variables Extensivas: si su valor depende de la cantidad o porción de sistema que se
considera. Por ejemplo: V (volumen), E (energía), U (energía interna) o A (área), se
expresan con mayúsculas. La masa y el número de moles se denominan m y N. (Se
emplea N mayúscula para referirse al número de moles para evitar una conflicto de
notación con el llamado exponente Politrópico n de procesos en gases)
Variables Intensivas: si su valor no depende de la cantidad de sistema considerado. por
ejemplo: temperatura, densidad, presión, concentración…; Variables intensivas
específicas: v (volumen específico ≡ V/m), ρ (densidad ≡ m/V) o u (energía interna
específica ≡ U/m), se expresan en minúsculas. Variables intensivas molares:: v (volumen
molar ≡ V/N), ρ (densidad molar ≡ N/V) o u (energía interna molar ≡ U/N), se emplean en
minúsculas y con raya superior. No obstante, con frecuencia se prescindirá de la raya
superior, y las unidades (molar o específica) se deducen del contexto.
Volumen, volumen específico y densidad
Estas propiedades se pueden definir de la siguiente manera:
Volumen (V) es el espacio que ocupa una sustancia; se mide en metros cúbicos (m3
).
Volumen específico (v) es el espacio que ocupa la unidad de masa de una sustancia; se
mide en metros cúbicos por kilogramo (m3
/kg).
Densidad (ρ) es la masa de la unidad de volumen de una sustancia; se mide en kilogramos
por metro cúbico (kg/m3
).

9
PROPIEDAD INTENSIVA
Propiedad Definición Ejemplo
Temperatura de Ebullición
También llamado punto de ebullición. Es la temperatura
máxima a la que puede llegar una sustancia en estado líquido. Si
la sustancia supera esa temperatura, estará en estado gaseoso.
La temperatura de ebullición
del agua es de 100 grados C
Temperatura de Fusión
También llamado punto de fusión. Temperatura a la que una
sustancia pasa de estado sólido a líquido.
El punto de fusión de la plata es
de 961 grados
Volumen Específico
Es el volumen ocupado por una unidad de masa de un material. Es la
magnitud inversa a la densidad
El volumen específico del agua
a 20 grados es de 0,001002
m3/kg. v = V/ m v = 1/ρ
Densidad
Es la magnitud de la cantidad de masa en un determinado
volumen. Es decir que la densidad de un cuerpo es la razón entre
la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.
La densidad del aceite de
girasol es de 0,891 g/cm3.
ρ = m/V
Color Se refiere al aspecto que tiene una sustancia ante el ojo humano
El color de la madera puede ser
anaranjado, marrón o cobrizo.
Sabor
En química pocas veces se trabaja con el sabor de las sustancias, ya
que muchas de ellas son tóxicas.
El sabor del limón es ácido

10
Compresibilidad.
Es la capacidad de la materia de disminuir de volumen al someterla a
una presión o compresión determinada
Concentración
Dada una solución, la concentración es la proporción entre la
cantidad de soluto (la sustancia en menor proporción, habitualmente
un sólido) y la cantidad de disolvente (sustancia que disuelve).
Cuanto mayor es la cantidad de soluto en comparación con la de
disolvente, se dice que la solución es más concentrada. Cuando
menor es la cantidad de soluto en comparación con la de disolvente,
se dice que la solución está más diluida.
Tensión superficial
Es una propiedad de los líquidos. Es la capacidad de algunos líquidos
de impedir aumentar su superficie. La tensión superficial es la fuerza
que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de
una superficie de un líquido en equilibrio. A la tensión superficial se
debe que se formen gotas de agua y que el agua no se extienda por
toda una superficie.
El agua tiene una tensión
superficial de 72,75, mientras que
otros líquidos tienen tensiones
superficiales menores, como la
acetona (23,70) o el alcohol etílico
(22,75).

11
PROPIEDAD EXTENSIVA
Propiedad Definición
Peso.
Es una medida de fuerza. Es la fuerza gravitatoria que actúa
sobre un objeto. Sobre la superficie terrestre, el peso de un
objeto es igual a su masa. Sin embargo, el peso del mismo
cuerpo en la Luna será muy inferior, mientras que su masa
seguirá siendo la misma
Masa
Es la cantidad de materia de un cuerpo. Para medirla se utiliza,
igual que con el peso, el kilogramo.
Volumen
Es la extensión de un objeto en tres dimensiones. Es una
magnitud derivada de la longitud. Las unidades de volumen más
utilizadas son el litro y los centímetros cúbicos (cm3). Un litro
son 1.000 cm3.
Energía Potencial
Dentro de un sistema físico, la energía potencial de un objeto es
la energía almacenada según su posición. Por ejemplo, un
ladrillo colgando de una soga a dos metros de altura tiene la
energía potencial de su caída, en caso de que la soga se corte.
Dado que la energía potencial depende del peso, la masa y el
volumen
Inercia
La inercia es la capacidad de un objeto de permanecer en estado
de reposo o de movimiento. Todo estado de reposo
(inmovilidad) o movimiento es siempre relativo, ya que depende
del punto de vista del observador.
Longitud
De la misma forma que el volumen cambia con la cantidad de
materia, también lo hace la longitud. Es la distancia entre dos
puntos, pero medida en sólo una dimensión, a diferencia del
volumen que se mide en tres (longitud, ancho, profundidad).

12
Capacidad Calorífica
Es la cantidad de calor que permite variar en un grado la
temperatura de un cuerpo. Depende de la cantidad de sustancia
ya que, por ejemplo, es necesario más calor para calentar un litro
de agua que medio litro de agua.
Número de moléculas
El número de moléculas de un material varia en función de la
cantidad del material. Sabemos que un mol de una sustancia
tiene 602.000.000.000.000.000.000.000 moléculas, en notación
científica sería 6,02x1023, este número también se conoce como
el número de Avogadro.
Entalpía
La entalpía es la cantidad de energía que un sistema cede o
absorbe de su alrededor. En el sistema internacional la unidad de
entalpía es joules (J).
Entropía
La entropía es la medida del desorden de un sistema. En el
sistema internacional la unidad de entropía es joules por kelvin
(J/K). Es una propiedad extensiva pues a mayor tamaño del
sistema mayor será el desorden. La tendencia en la naturaleza es
el desorden.
Funciones de Estado.
Las funciones de estado describen la condición momentánea de un sistema termodinámico.
Indiferentemente del camino que siga el sistema para ir de un estado a otro, el cambio total de
cualquier variable de estado será el mismo. Esto significa que los cambios incrementales en dichas
variables son diferenciales exactas. Algunos ejemplos de función de estado son la entalpía,
la entropía, la presión, la temperatura, el volumen, entre otros.
Las funciones de estado de los sistemas termodinámicos generalmente tienen una cierta
interdependencia. En la ecuación de estado de un gas ideal, dos de las funciones de estado pueden
seleccionarse arbitrariamente como variables independientes, y otras cantidades estadísticas se
consideran como sus funciones.

13
Presión
La presión se define como la fuerza por unidad de superficie ejercida por un fluido sobre una
superficie real o imaginaria, en dirección normal a la superficie. En unidades SI la presión se mide en
newton por metro cuadrado (N/m2
), unidad denominada Pascal (Pa). En relación con la presión
atmosférica, que es una referencia habitual, el N/m2
resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que
se suele utilizar el bar, donde:
1 bar = 105 N/m2
= 0,1 MPa = 100 kPa
1 atm = 101 325 N/m2
= 1,01325 bar = 101,325 kPa
En el caso de un gas, la presión es el resultado de los impactos de las moléculas del gas contra la
pared: Como las moléculas se mueven en todas las direcciones, la presión es la misma con
independencia de la orientación de la pared donde se mide, la presión es una magnitud escalar.
Para gases formados por mezcla de varias sustancias, la presión parcial es la contribución de cada gas
a la presión total de la mezcla. Puede considerarse que la presión parcial de un gas es el resultado de
las colisiones de las moléculas de ese gas contra la pared del recipiente.
En el caso de líquidos, la presión se debe a la fuerza de la gravedad del líquido (peso): se
denomina presión hidrostática.

14
.
TIPOS DE PRESION
Absoluta
Es la presión que se ejerce sobre un cuerpo por la acción de
algún elemento, más la presión atmosférica que sufre (todos
cuerpos en el planeta están sometidos a la presión atmosférica).
Atmosférica
Es la presión que ejerce el conjunto de la masa de gases de
la atmósfera sobre la superficie terrestre y sobre todo lo que
repose sobre ella. A medida que uno asciende con respecto al
nivel del mar (en un avión, o subiendo una montaña), la presión
atmosférica disminuye ya que hay menos masa de aire sobre
nosotros
Manométrica
Es la presión que existe por sobre el valor de presión
atmosférica. También llamada presión relativa, su valor
corresponde a la diferencia entre el de la presión absoluta y el de
la presión atmosférica. La presión relativa se mide utilizando un
manómetro (de allí su nombre) y es es la que más se utiliza en la
vida cotidiana
Hidrostática
Es la presión experimentada por fluidos, tanto debido al peso del
propio fluido en reposo (hidrostática), como en
constante movimiento (hidrodinámica). Usualmente se calcula
una presión media entre las dos.

15

16
Temperatura
Las unidades de medida de temperatura representan la magnitud física escalar del nivel de calor de un
cuerpo, o bien de un ambiente. La temperatura mide la energía cinética interna del sistema, es una
propiedad asociada al movimiento de partículas que existen en los cuerpos y en el aire, y en base a
ella se determinan diferentes propiedades de los cuerpos, del que probablemente el más notorio sea el
estado: es habitual ver esto en el agua, donde la temperatura determina si el mismo cuerpo (agua)
estará en estado sólido, liquido o gaseoso. La ley cero de la termodinámica establece que el equilibrio
térmico es una propiedad transitiva. Si dos cuerpos A y B están en equilibrio térmico y a su vez B está
en equilibrio térmico con otro cuerpo C; entonces A y C están también en equilibrio térmico. La ley
cero nos va a permitir garantizar la reproducibilidad de las mediciones de temperatura. Ella, unida con
el hecho experimental que ciertas propiedades físicas como volumen, conductividad eléctrica, etc.
varían con la temperatura nos va a permitir construir elementos de medición de temperatura llamados
termómetros, los cuales comparan lo que hay que medir con la unidad de referencia (el grado Kelvin
o Celsius o Fahrenheit).

17
En general, dada una propiedad que varíe con la temperatura, ésta se puede utilizar para construir un
termómetro
A continuación algunos ejemplos comunes:
TERMOMETRO PROPIEDAD
Gas (V Constante) Presión
Bulbo
Expansión De
Volumen
Termopar Fuerza Electromotriz
Termistor Resistencia Eléctrica
Pirómetro Emitancia Radiante
CONVERSION DE ESCALAS DE TEMPERATURA
ESCALA FAHRENHEIT CELSIUS KELVIN RANKINE
°F °F (ºF - 32)/1.8 (ºF-32)*5/9+273.15 °F+459.67
°C (ºC * 1.8) + 32 °C ºC + 273.15 (9C/5)+491.67
K (K-273.15)*9/5+32 K - 273.15 K {9(K-273.15)/5}+273
R R-459.67
[5(R-491.67)]/9
[5(R-491.67)/9]+273.15 R
• La escala Celsius. También conocida como “escala centígrada”, es la más utilizada junto con
la escala Fahrenheit. Es la medida en la que el punto de congelación del agua equivale a 0° C
(cero grados centígrados) y su punto de ebullición ocurre a 100° C.
• La escala Fahrenheit. Es la medida utilizada en la mayoría de los países de habla inglesa, en
donde el punto de congelación del agua ocurre a los 32° F (treinta y dos grados Fahrenheit) y
el punto de ebullición, a los 212° F.

18
• La escala Kelvin. Es la medida utilizada en experimentos científicos y establece como punto
cero el “cero absoluto”, que supone que el objeto no desprende calor alguno y equivale a -
273,15° C (grados centígrados).
• La escala Rankine. Es la medida usada comúnmente en Estados Unidos para la medición de
temperatura termodinámica y se define al medir los grados Fahrenheit sobre el cero absoluto,
por lo que carece de valores negativos o bajo cero.
Dispositivos Cilindro-Pistón
Estos dispositivos, como su nombre lo indica, consisten en un tanque cilíndrico cuya tapa consta de
un émbolo o pistón movible. Dada la fácil visualización y estimación de propiedades como presión y
volumen, ante interacciones de energía, los mismos representan una herramienta importante y sencilla
en el estudio del comportamiento volumétrico de fluidos. Por ejemplo, para el sistema de la figura, en
el cual el pistón se encuentra en equilibrio mecánico con su atmósfera:
Volumen V=Axh
Presion P=Patmxmg/A
Donde:
A: es el área de la base del cilindro
h: es la altura del pistón.
mp: la masa del pistón
g: la aceleración de gravedad
Patm: la presión atmosférica

19

Guia Pedagógica Conceptos Básicos.pdf

Más contenido relacionado

Similar a Guia Pedagógica Conceptos Básicos.pdf

Más de CarlosJosFuentesApon

Último

Guia Pedagógica Conceptos Básicos.pdf