1) El documento describe las leyes de la termodinámica y varios procesos termodinámicos como isotérmicos, adiabáticos e isobáricos. 2) Explica que el calor es una transferencia de energía debido a una diferencia de temperatura mientras que el trabajo no depende de la temperatura. 3) Las leyes de la termodinámica establecen que la energía se conserva y que el calor solo fluye de los cuerpos calientes a los frios.

1. LEYES DE LALEYES DE LA
TERMODINÁMICATERMODINÁMICA
Profesor: Ignacio Espinoza BrazProfesor: Ignacio Espinoza Braz
Colegio Adventista
Subsector Física
Arica

2. TermodinámicaTermodinámica
Se
llaman
variables de
estado a las
cantidades
que
describen el
estado de un
sistema,
como la
energía
interna U , la
presión P, el
volumen V,
la
temperatura
T y la masa
m o el
número de
moles n.
 El estudio de los procesos en los que
la energía se transfiere como calor y
trabajo se denomina termodinámica.
 La termodinámica, en un enfoque
macroscópico, describe el estado de
un sistema mediante el uso de
variables, conocidas como variables
de estado.
 El estado macroscópico de un sistema
aislado solo se puede especificar si el
sistema está en equilibrio térmico
interno.

3. Calor y TrabajoCalor y Trabajo
 El calor se define como una transferencia de energía
provocada por una diferencia de temperatura. Mientras
que, el trabajo es una transferencia de energía que no se
debe a una diferencia de temperatura.
F P A= ×
La figura (a) muestra un gas encerrado en un
cilindro dotado de un émbolo móvil. El gas está
en equilibrio, ocupando un volumen V y
ejerciendo una presión uniforme P sobre las
paredes del cilindro y el émbolo. Si el émbolo
tiene un área A, la fuerza que el gas ejerce
sobre el émbolo será:

4.  Si el gas se expande lentamente de manera que el
sistema permanezca prácticamente en equilibrio
termodinámico en todo momento, entonces, a medida
que el émbolo ascienda una distancia , el trabajo W
realizado por el gas sobre el émbolo será:
 Como es el aumento de volumen del gas, se
puede escribir el trabajo W realizado como:
y∆
W F y P A y= ×∆ = × ×∆
W P V= ×∆
A y×∆ V∆

5.  El gas se expande como se muestra en la
figura (b), será positivo y el trabajo
realizado por el gas también será positivo. Si
el gas se comprime, será negativo y el
trabajo realizado por el gas también será
negativo.
 En este caso, el trabajo negativo se puede
interpretar como un trabajo que se realiza
sobre el sistema. Cuando el volumen
permanece constante, el trabajo realizado por
o sobre el sistema será cero.
V∆
V∆

6.  El trabajo realizado por un gas cuando pasa de un estado inicial
a un estado final depende de la trayectoria seguida entre los
dos estados.
 Se puede observar que el trabajo realizado a lo largo de la
trayectoria en cada caso es:
a)
b) resultado mayor que en a)
c) Es un valor intermedio entre los valores obtenidos
anteriormente.
( )f f iP V V−
( )f f iP V V−

7. Trabajo Realizado por un GasTrabajo Realizado por un Gas
 El área bajo la curva en el diagrama P v/s V
representa el trabajo realizado por un gas en
expansión.

8. Primera Ley de laPrimera Ley de la
TermodinámicaTermodinámica
 Se refiere a la conservación de la energía, es decir, a
que la energía total en el universo permanece constante,
y establece que el cambio en la energía interna de un
sistema cerrado, es igual al calor neto Q agregado
al sistema, menos el trabajo neto efectuado por el
sistema sobre los alrededores.
 En donde Q es positivo para el calor agregado o cedido
al sistema y W es positivo para el trabajo realizado por el
sistema. Por otra parte, si se realiza trabajo sobre el
sistema, W será negativo, y si el calor sale del sistema Q,
será negativo.
U∆
U Q W∆ = −

9. Procesos TermodinámicosProcesos Termodinámicos
 Existen distintos procesos
termodinámicos que se
pueden analizar utilizando la
primera ley de la
termodinámica. Eligiendo un
sistema simplificado como
una masa fija de un gas ideal
encerrado en un contenedor
cubierto con un émbolo
móvil, los procesos son los
siguientes:

10. Proceso IsotérmicoProceso Isotérmico
 Es un proceso que se lleva a cabo a temperatura
constante. Para esto se supone que el gas está en
contacto con un depósito de calor, que es un cuerpo
de masa muy grande, por lo que su temperatura no
cambia significativamente cuando intercambia calor
con el sistema.
 Además se supone que el proceso de aumento
(expansión) o disminución (compresión) del volumen
se realiza muy lentamente, de manera que todo gas
permanece en equilibrio a temperatura constante.

11.  De acuerdo al gráfico, el gas inicialmente se encuentra en un
estado representado por el punto A. Si se agrega al sistema
una cantidad de calor Q, entonces, la presión y el volumen
cambian y el estado del sistema evolucionará hasta un punto
B. Como la temperatura no varía, el gas debe expandirse y
realizar una cantidad de trabajo W sobre el ambiente (ejerce
una fuerza sobre el pistón y lo desplaza)
A
B
V
P

12.  Al no variar la temperatura, la energía interna no
cambia, es decir:
 De acuerdo a la primera Ley:
de manera que W=Q.
 Esto significa que el trabajo realizado por el gas en
un proceso isotérmico es igual al calor entregado al
gas.
0U Q W∆ = − =
0U∆ =

13. Proceso AdiabáticoProceso Adiabático
 Es un proceso en el cual no se permite flujo de calor
hacia el sistema o desde él, por lo que Q=0
 Este proceso se puede lograr con un sistema muy bien
aislado o que ocurra tan rápido que no alcanza a fluir
calor hacia dentro o fuera del sistema.
 De acuerdo a la primera ley, en una expansión
adiabática,
, lo que significa que la energía interna, al igual
que la temperatura, disminuye. Al contrario, en una
compresión adiabática se realiza trabajo sobre el gas,
por lo que la energía interna aumenta al igual que la
temperatura.
U W∆ = −

14. Proceso IsobáricoProceso Isobárico
 Es aquel en que la presión permanece constante. Si
el gas se expande lentamente contra el pistón, el
trabajo realizado por el gas para elevar el pistón será:
 En este caso, la primera ley establece que:
 Si el gas se comprime a presión constante, el trabajo
será negativo, lo que indica que se estará realizando
trabajo sobre el gas.
W P V= ×∆
Q U P V= ∆ + ×∆

15. Proceso IsovolumétricoProceso Isovolumétrico
 También llamado proceso isocórico, es aquel
en que el volumen permanece constante, por
lo cual:
 Es decir, no se realiza trabajo, por lo tanto:
0W P V= ×∆ =
Q U= ∆

16. Descripción Gráfica deDescripción Gráfica de
Procesos TermodinámicosProcesos Termodinámicos
A
B
V
P
AP
BP
BVAV
Isocórico
Isotérmico
Isobárico

17. Segunda Ley de laSegunda Ley de la
TermodinámicaTermodinámica
 Establece qué procesos de la naturaleza pueden ocurrir y
cuáles no. Existe más de una forma de enunciar esta ley,
en palabras simples podemos decir que el calor jamás fluye
espontáneamente de un objeto frío a un objeto con mayor
temperatura.
 La primera ley niega la posibilidad de que existan procesos
en los que no se conserva la energía, pero no impone
ninguna restricción respecto a la dirección en que se
produce el proceso, aún cuando la observación de
fenómenos naturales indica que estos se producen en un
sentido determinado y no en el opuesto.

18.  Por ejemplo, cuando
ponemos en contacto térmico
dos cuerpos a distinta
temperatura, sabemos que el
calor fluye del cuerpo con
mayor temperatura al de
menor temperatura.
 Este es el ejemplo de un
proceso irreversible.

19.  Un proceso es irreversible, si ocurre o se
produce en una sola dirección. Si alguno de
estos procesos ocurre en orden temporal
opuesto, entonces violaría la segunda ley de
la termodinámica.

20. Máquinas TérmicasMáquinas Térmicas
Una máquina térmica es cualquier
dispositivo que convierte energía térmica en otras
formas útiles de energía, como la energía
mecánica y/ó eléctrica, por ejemplo, una máquina
de vapor o los motores de los automóviles.
La máquina térmica como dispositivo
práctico hace que una sustancia de trabajo (como
un gas) recorra un proceso cíclico durante en el
cual:

21. • Se absorbe calor de una fuente a alta temperatura.
• La máquina realiza un trabajo.
• Libera calor a una fuente a temperatura más baja.
En una máquina térmica, por
conservación de la energía se cumple
que:
Entonces, el trabajo neto es:
C fQ W Q= +
C fW Q Q= −

22.  La máquina, representada por el círculo en el
centro del diagrama, absorbe cierta cantidad
de calor tomado de la fuente a temperatura
más alta.
 Hace un trabajo W y libera calor a la fuente
de temperatura más baja. Debido a que la
sustancia de trabajo se lleva a través de un
ciclo, su energía interna inicial y final es la
misma, por lo que:
CQ
fQ
0U∆ =

23. EficienciaEficiencia
 La eficiencia de una máquina térmica, se define
como la razón entre el trabajo neto realizado y
el calor absorbido durante un ciclo.
 Una máquina térmica tiene una eficiencia de un
100% (e=1) sólo si , es decir, si no se
libera calor a la fuente fría y todo el trabajo se
transforma en calor.
1C f f
C C C
Q Q QW
e
Q Q Q
−
= = = −
0fQ =

24. EjerciciosEjercicios
 Un gas ideal está encerrado en un cilindro que tiene un
émbolo móvil en la parte superior. El émbolo tiene una masa
de 8000 gr y un área de 5 cm3
, y se puede mover libremente
hacia arriba y hacia abajo, manteniendo constante la presión
del gas. ¿Cuánto trabajo se hace cuando la temperatura de
0,2 moles del gas se eleva de 20ºC a 300ºC? (466 J)
 Calcular la variación de energía interna de un sistema, si
realiza un trabajo de 140[J] sobre su entorno y absorbe 80[J]
de calor.
 El motor de un automóvil nuevo tiene una eficiencia del 25% y
produce un promedio de 2500[J] de trabajo mecánico por
segundo cuando está funcionando. ¿cuál es la producción de
calor por segundo de este motor?

25.  Un gas es comprimido a una presión constante de 0,8 atm de
9 L a 2 L. En el proceso, 400 J de energía térmica salen del
gas. A) ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas?, b) ¿Cuál
es el cambio en su energía interna? (-567 J; 167 J)
 Un sistema termodinámico experimenta un proceso en el
cual su energía interna disminuye 500 J. Si al mismo tiempo
se hacen 220 J de trabajo sobre el sistema, encuentre la
energía térmica transferida a o desde él.
 Un gas ideal inicialmente a 300ºK se somete a una
expansión isobárica a 2500[Pa]. Si el volumen aumenta de 1
m3
a 3 m3
, y se transfieren al gas 12500[J] de energía térmica,
calcule a) el cambio en su energía interna, y b) su
temperatura final. (7,5 kJ; 900ºK)

26.  Una máquina térmica absorbe 360 J de energía térmica y
realiza 25 J de trabajo en cada ciclo. Encuentre a) la
eficiencia de la máquina y b) la energía térmica liberada
en cada ciclo. (6,94%; 335J)
 Una máquina térmica efectúa 200 J de trabajo en cada
ciclo y tiene una eficiencia del 30%. En cada ciclo,
¿cuánta energía térmica se: a) absorbe y b) libera?
 El calor que absorbe una máquina es tres veces mayor
que el trabajo que realiza. A) ¿Cuál es su eficiencia
térmica?, b) ¿qué fracción del calor absorbido es liberado
hacia el depósito frio? (0,33; 0,667)