Este documento trata sobre la termodinámica. Explica que la termodinámica estudia la energía en sus diversas formas y cómo se puede extraer y convertir. Describe las leyes de la termodinámica, incluida la primera ley sobre la conservación de la energía. También explica conceptos clave como sistema, estado, equilibrio, procesos y ciclos termodinámicos. Finalmente, cubre temas como temperatura, presión, densidad y su medición.

1. TERMODINAMICA
INTRODUCCIÓN

2. ¿QUE ES
ENERGÍA?

3. TERMODINAMICA
La ciencia de la energía
El término termodinámica
proviene de las palabras griegas
therme (calor) y dynamis (fuerza),
lo cual corresponde a lo más
descriptivo de los primeros
esfuerzos por convertir el calor en
energía
La ciencia que
explica y
determina cuánta
energía se puede
extraer, y con qué
eficiencia
Esta ciencia estudia
la energía en sus
diversas formas y
explica por qué
algunos tipos de
energía son más
fáciles de usar que
otros

4. Principio de conservación de la energía. Eentrada - Esalida = ∆E.
La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del
principio de conservación de la energía, y sostiene que la energía es una
propiedad termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene
calidad así como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia
donde disminuye la calidad de la energía.

6. SISTEMA
Se llama Sistema o Medio
Interior a la porción del espacio
limitado por una superficie real
o ficticia, donde se sitúa la
materia a ser estudiada. Puede
ser cualquier cuerpo o conjunto
de cuerpos, cualquier cantidad
de materia, cualquier región del
espacio, etc., seleccionado para
estudiarlo y aislarlo
(mentalmente) de todo lo
exterior.

7. SISTEMA
• ENTORNO O MEDIO EXTERIOR: El Entorno o Medio
Exterior de un sistema es todo aquello que lo rodea.
No es objeto de estudio pero puede interacciónar con
el sistema.
• EL UNIVERSO: El Universo es el que está formado por
un sistema y su entorno.
• FRONTERA: La Frontera de un sistema es la
envoltura imaginaria o real que encierra un sistema y
lo separa de su entorno.

8. • TIPOS DE FRONTERAS
La frontera de un sistema puede ser de distintos
tipos:
• FRONTERA ADIABATICA: Es aquel tipo de
frontera que no permite la transferencia del
calor
• FRONTERA DIATERMICA: Es aquel tipo de
frontera que permite la transferencia del calor

9. • TIPOS DE FRONTERAS
• FRONTERA RIGIDA: Es aquel tipo de frontera
que no permite el cambio de volumen.
• FRONTERA MOVIL: Es aquel tipo de frontera
que permite el cambio de volumen.

10. SISTEMAS CERRADOS Y
ABIERTOS
SISTEMA ABIERTO
Es aquel que permite intercambio
de materia y energía

11. SISTEMAS CERRADOS Y
ABIERTOS
• SISTEMA CERRADO
• Es aquel que no permite intercambio de
materia, pero sí de energía

12. SISTEMAS CERRADOS Y
ABIERTOS
SISTEMA AISLADO
Es aquel que no permite el intercambio de
materia ni energía

13. ABIERTO? CERRADO? O?
El cuerpo humano. Al estar necesitado
de materia para obtener energía, el
cuerpo requiere del intercambio con el
ambiente de insumos orgánicos e
inorgánicos y de energía para su
funcionamiento.
Una olla de agua hirviendo. La energía
introducida al sistema por el fuego
transforma el agua en gas, que es
liberado al ambiente.
Las ollas de presión. No permiten el
escape de los gases generados en su
interior para que actúen sobre la comida
cocinándose. Por eso, las ollas de
impiden el escape de la materia, pero no
de la energía que sale como calor ni de la
necesaria para iniciar la cocción, también
proveniente del exterior.
Un motor a combustión. Los motores son
sistemas complejos que generan
movimiento a partir de un suministro
constante de combustible: gasolina,
gasoil, etc.
Los televisores. Estos artefactos
funcionan a partir del consumo de
energía eléctrica, para emitir luz de
diversos tipos y modulaciones, junto con
ondas sonoras, al medio externo. Pero no
requieren de inyección de materia, ni la
masa en su interior es alterada.
Las mayoría de las plantas. Las plantas
requieren de materia para su
subsistencia (en forma de agua y
nutrientes) y de energía (solar) para
llevar a cabo la fotosíntesis vital.
Un envase con comida caliente. Cerrado
de manera hermética, el envase impedirá
que la materia en su interior salga o que
entre nada hacia ella, pero incluso así
irradiará el calor de la comida hacia
afuera.
Los saunas. Para producir el vapor
contenido en los saunas, se requiere de
agua (materia) y energía (fuego) para
producir el vapor de agua y permitir que
se acumule en el recinto
cerrado. Después de un período, el vapor
desaparecerá y se necesitará una nueva
inyección de insumos al sistema.
Una botella de agua fría expuesta a
temperatura ambiente. Al estar cerrada
la botella, la transferencia de materia
entre el sistema y el entorno es
imposible: no puede entrar ni salir
líquido. Sin embargo, es posible
intercambiar energía: el agua se irá
calentando gradualmente.
Un termómetro. Ya que está cerrado
herméticamente, el contenido de un
termómetro no varía jamás, pero sí
reacciona de acuerdo a la temperatura
que percibe, es decir, es sensible a la
entrada de calor (energía).
Los iglúes de los esquimales. Están
diseñados de tal manera que no ingresa
ni egresa calor ni materia.
El Sol. Si se desprecia la materia que
transforma en energía, el sol es un
ejemplo de sistema cerrado, que no
intercambia materia con su entorno,
pero sí energía (radiación solar, luz solar,
calor).

14. PROPIEDADES
DE UN
SISTEMA
• Cualquier característica de un sistema se llama propiedad. Algunas propiedades muy
familiares son presión P, temperatura T, volumen V y masa m.
• Una forma fácil de determinar si una propiedad es intensiva o extensiva es dividir el
sistema en dos partes iguales mediante una partición imaginaria, como se ilustra en la
figura 1-20; cada parte tendrá el mismo valor de propiedades intensivas que el sistema
original, pero la mitad del valor de las propiedades extensivas

15. Continuo
La materia está constituida por átomos que
están igualmente espaciados en la fase gas. Sin
embargo, es muy conveniente no tomar en
cuenta la naturaleza atómica de una sustancia
y considerarla como materia continua,
homogénea y sin ningún hueco, es decir, un
continuo.

16. DENSIDAD Y
DENSIDAD
RELATIVA
• La densidad se define como la masa por
unidad de volumen
𝜌 =
𝑚
𝜈
• El recíproco de la densidad es el volumen
específico v, que se define como el
volumen por unidad de masa. Es decir,
𝑣 =
𝜈
𝑚
=
1
𝜌
La densidad de una sustancia depende de la
temperatura y la presión. La densidad de la
mayor parte de los gases es proporcional a la
presión e inversamente proporcional a la
temperatura. Por otro lado, los líquidos y
sólidos son en esencia sustancias no
compresibles y la variación de su densidad
con la presión es por lo regular insignificante.

17. DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA

18. ESTADO Y
EQUILIBRIO
• Considere un sistema que no
experimenta ningún cambio: en
estas circunstancias, todas las
propiedades se pueden medir o
calcular en el sistema, lo cual da un
conjunto de propiedades que
describe por completo la
condición, o el estado, del sistema.
En un estado específico, todas las
propiedades de un sistema tienen
valores fijos, e incluso si cambia el
valor de una propiedad, el estado
cambia a otro diferente.

19. ESTADO Y
EQUILIBRIO
La termodinámica trata con estados de
equilibrio. Esta última palabra define un
estado de balance. En un estado de
equilibrio no hay potenciales
desbalanceados (o fuerzas impulsoras)
dentro del sistema, y éste no experimenta
cambios cuando es aislado de sus
alrededores.
equilibrio térmico
equilibrio mecánico
equilibrio químico

20. PROCESOS Y CICLOS

21. PROCESOS Y CICLOS
• Proceso isotérmico: es aquel durante el cual la
temperatura T permanece constante
• Proceso isobárico: es en el que la presión P se
mantiene constante
• Proceso isocórico (o isométrico) es aquel donde el
volumen específico v permanece constante.
• Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo si
regresa a su estado inicial al final del proceso, es decir,
para un ciclo los estados inicial y final son idénticos.

22. Proceso de flujo
estacionario
Estacionario significa que no hay cambio con el tiempo y su
contrario es no-estacionario o transitorio. Sin embargo,
uniforme significa ningún cambio con la ubicación en una
región específica.
Dispositivos operan por largos periodos bajo las mismas
condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo
estacionario.
Los procesos en los que se utilizan tales dispositivos se
pueden representar proceso de flujo estacionario, que es
posible definir como un proceso durante el cual un fluido
fluye de forma estacionaria por un volumen de control

23. TEMPERATURA Y LEY
CERO DE LA
TERMODINÁMICA
Cuando un cuerpo se pone
en contacto con otro que
está a una temperatura
diferente, el calor se
transfiere del que está
caliente al frío hasta que
ambos alcanzan la misma
temperatura.
En ese punto se detiene la
transferencia de calor y se
dice que los dos cuerpos han
alcanzado el equilibrio
térmico. Para el cual el único
requerimiento es la igualdad
de temperatura.

24. La ley cero de
la
termodinámica
R. H. Fowler fue el primero que formuló y nombró la ley cero en 1931.
Su valor como principio físico fundamental se reconoció más de medio
siglo después de la formulación de la primera y segunda leyes de la
termodinámica y se llamó ley cero puesto que debía preceder a éstas.

25. Escalas de temperatura

26. Las magnitudes de cada división
de 1 K y 1°C son idénticas; por
lo tanto, cuando se trata con
diferencias de temperatura ∆T,
el intervalo de temperatura en
ambas escalas es el mismo.
Elevar la temperatura de una
sustancia en 10°C es lo mismo
que elevarla en 10 K. Es decir,

27. PRESIÓN
La presión se define como una
fuerza normal que ejerce un fluido
por unidad de área. Se habla de
presión sólo cuando se trata de gas o
líquido, mientras que la contraparte
de la presión en los sólidos es el
esfuerzo normal.
1 Pa= 1 N/m2

28. PRESIÓN
La presión real en una determinada
posición se llama presión absoluta, y se
mide respecto al vacío absoluto (es decir,
presión cero absoluta). Sin embargo, la
mayor parte de los dispositivos para medir
la presión se calibran a cero en la
atmósfera, por lo que indican la diferencia
entre la presión absoluta y la atmosférica
local; esta diferencia es la presión
manométrica. Las presiones por debajo de
la atmosférica se conocen como presiones
de vacío y se miden mediante medidores de
vacío que indican la diferencia entre las
presiones atmosférica y absoluta.

29. • EJEMPLO: Presión absoluta de una
cámara de vacío
Un medidor de vacío conectado a una
cámara marca 5.8 psi en un lugar donde la
presión atmosférica es de 14.5 psi.
Determine la presión absoluta en la cámara

30. Variación de la
presión con la
profundidad

31. Variación de
la presión
con la
profundidad

32. La presión en un fluido en
reposo no depende de la forma
o sección transversal del
recipiente. Cambia con la
distancia vertical, pero
permanece constante en otras
direcciones. De ahí que en un
determinado fluido la presión
sea la misma en todos los
puntos de un plano horizontal.

33. La presión aplicada a un fluido
confinado incrementa en la misma
cantidad la presión en todas partes.
Esto se llama ley de Pascal, en honor
a Blaise Pascal (1623-1662).
La “máquina de Pascal” ha sido el
origen de muchas invenciones como
los frenos y ascensores hidráulicos.
Esto es lo que permite levantar
fácilmente un automóvil mediante
un brazo, como donde P1 = P2
puesto que ambos pistones están al
mismo nivel. La relación de área A2/A1 se
llama ventaja mecánica ideal del elevador
hidráulico.

34. MANÓMETR
O
Es un dispositivo que se basa en
el cambio de elevación en un
fluido en reposo para medir la
presión, y comúnmente se usa
para medir diferencias de
presión pequeñas y moderadas.
Un manómetro consta
principalmente de un tubo en U
de vidrio o plástico que
contiene uno o más fluidos
como mercurio, agua, alcohol o
aceite.

35. EJEMPLO: Medición de la
presión con un
manómetro
Un manómetro se usa para medir
la presión en un recipiente. El
fluido que se emplea tiene una
densidad relativa de 0.85 y la
altura de la columna del
manómetro es de 55 cm. Si la
presión atmosférica local es 96
kPa, determine la presión absoluta
dentro del recipiente

36. Muchos problemas de ingeniería y algunos
manómetros tienen que ver con varios fluidos
inmiscibles de densidades diferentes apilados
unos sobre otros.
Este tipo se sistemas se pueden analizar
fácilmente recordando que
1) El cambio de presión en una columna de
fluido de altura h es ∆P = ρgh,
2) La presión se incrementa hacia abajo en un
determinado fluido y disminuye hacia arriba
(es decir, Pfondo > Pparte superior)
3) Dos puntos a la misma elevación en un fluido
continuo en reposo están a la misma presión

37. Particularmente, los manómetros
son adecuados para medir caídas de
presión en una sección de flujo
horizontal entre dos puntos
especificados, debidas a la presencia
de un dispositivo como una válvula,
intercambiador de calor o cualquier
resistencia al flujo.

38. EJEMPLO: Medición de la
presión con un manómetro
de varios fluidos
El agua en un recipiente se presuriza con
aire y la presión se mide por medio de
un manómetro de varios fluidos. El
recipiente se localiza en una montaña a
una altitud de 1 400 m donde la presión
atmosférica es 85.6 kPa. Determine la
presión del aire en el recipiente si h1 =
0.1 m, h2 = 0.2 m y h3 = 0.35 m. Tome
las densidades del agua, aceite y
mercurio iguales a 1 000 kg/m3, 850
kg/m3 y 13 600 kg/m3, respectivamente.

39. BARÓMETRO Y
PRESIÓN
ATMOSFÉRICA
La presión atmosférica se mide mediante
un dispositivo conocido como
barómetro; así, la presión atmosférica se
denomina por lo común presión
barométrica.
El italiano Evangelista Torricelli (1608-
1647) fue el primero en probar de
manera concluyente que la presión
atmosférica se puede medir al invertir
un tubo lleno de mercurio en un
recipiente con mercurio y abierto a la
atmósfera

40. EJEMPLO: Medición de la presión
atmosférica con un barómetro
Determine la presión atmosférica en un lugar donde la lectura
barométrica es 740 mm Hg y la aceleración gravitacional es g = 9.81
m/s2. Suponga que la temperatura del mercurio es de 10 °C, a la cual
su densidad es 13 570 kg/m3.

41. EJEMPLO: Efecto del peso de
un émbolo sobre la presión
en un cilindro
La masa del émbolo de un dispositivo
vertical de cilindro-émbolo que contiene
un gas, es de 60 kg y su área de sección
transversal es de 0.04 m2. La presión
atmosférica local es de 0.97 bar y la
aceleración gravitacional es 9.81 m/s2.
a) Determine la presión dentro del
cilindro.
b) Si se transfiere el calor al gas y se
duplica su volumen, ¿esperaría un
cambio en la presión interna del
cilindro?

42. Capítulo 2
ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y
ANÁLISIS GENERAL DE ENERGÍA

43. La energía
se presenta de muchas formas
asociada al
movimiento
asociada al
movimiento
de cargas
eléctricas
asociada a
los enlaces
químicos
asociada a
los cambios
en los
núcleos
atómicos
asociada a
la agitación
de las
partículas
Mecánica Química
Eléctrica
Térmica
Nuclear
asociada a
las ondas
electromag-
néticas
Luminosa

44. Energía mecánica
Es la energía que almacena un
cuerpo debido a su posición o a la
velocidad con que se mueve. Puede
ser de dos tipos:
Energía cinética
Es la energía que tiene un cuerpo
que se mueve respecto a otro.
𝐸𝐶 =
1
2
𝑚𝑣2 𝑒𝑐 =
1
2
𝑣2
Energía potencial
Es la energía que tiene un cuerpo
que se encuentra bajo la acción de
una fuerza gravitatoria, como la que
ejerce la Tierra.
𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ 𝑒𝑝 = 𝑔ℎ

45. EJEMPLOS • Una corriente de agua sale de una manguera, y se ve
que tiene una velocidad de 30 m/s. Calcular la
energía cinética por kilogramo para esta agua.
• El agua que baja de una caída de 300 m pierde
energía potencial. Si se dice que la energía potencial
es cero en el pie de la caída, ¿cuál es la energía
potencial del agua, por kilogramo, en la parte
superior?

46. Energía eléctrica
• Es la energía que lleva asociada
una corriente eléctrica, que es el
movimiento ordenado de partículas
con carga eléctrica.
• Esta es la forma de energía más
utilizada en la sociedad actual. ¿Eres
capaz de imaginar cómo sería la vida
sin electricidad?

47. Energía química
• Es la energía asociada a las
uniones entre los átomos o iones
que constituyen una sustancia
determinada.
• Esta energía es la que se produce
cuando ocurre una reacción química,
como las reacciones de combustión
que proporcionan energía a los seres
vivos a partir de los alimentos.

48. Energía nuclear
Es la energía liberada cuando los
núcleos atómicos experimentan
cambios para dar lugar a otros
núcleos distintos. Hay dos tipos:
• Energía de fisión nuclear: Es la
energía que se produce cuando un
núcleo atómico se rompe en
fragmentos más pequeños.
• Energía de fusión nuclear: Es la
energía que se produce cuando dos
núcleos atómicos se combinan para
formar otro distinto, como sucede
en el Sol.

49. Energía térmica
• Es la energía que posee un cuerpo debido al movimiento de
las partículas que lo componen.
• Ya sabes que las partículas no están quietas, sino que vibran
en sus posiciones fijas (en los sólidos) o se desplazan unas
respecto a otras (en los líquidos y los gases).
• Cuanto más intenso es este movimiento, mayor es la energía
térmica del cuerpo.

50. Energía luminosa
• Es la energía que transportan las ondas electromagnéticas.
Esta energía la utilizan los seres vivos para realizar funciones
como la fotosíntesis, proceso por el cual las plantas toman el
dióxido de carbono de la atmósfera para fabricar las sustancias
que necesitan.

51. La energía interna se puede definir
como la energía de un sistema que
no se puede asociar con energías
cinética o potencial, y se
representará con el símbolo U.

52. Energía total E de un sistema

53. Trabajo de flujo
La presión por sí misma no es una forma de
energía, pero una fuerza de presión que
actúa sobre un fluido a lo largo de una
distancia produce trabajo, llamado trabajo
de flujo, en una cantidad de P/ρ por unidad
de masa. El trabajo de flujo se expresa en
términos de las propiedades del fluido y es
conveniente considerarlo como parte de la
energía de un fluido en movimiento y
llamarlo energía de flujo. Por lo tanto, la
energía mecánica de un fluido en
movimiento por unidad de masa se puede
expresar como

55. Calor
La forma de energía que se transfiere
entre dos sistemas (o entre un sistema y
el exterior) debido a una diferencia de
temperatura
El calor se limita a la transferencia de
energía térmica durante un proceso.

56. El calor es energía en transición
y se reconoce sólo cuando cruza
la frontera de un sistema
Una vez en el exterior, el calor
transferido se vuelve parte de la
energía interna de éstos. Así, en
termodinámica el término calor
significa simplemente
transferencia de calor..

57. Un proceso durante el cual no hay transferencia de
calor se denomina proceso adiabático.
Hay dos maneras en que un proceso puede ser
adiabático: el sistema está bien aislado de modo
que sólo una cantidad insignificante de calor cruza
la frontera, o bien, tanto el sistema como el
exterior están a la misma temperatura y por lo
tanto no hay fuerza impulsora (diferencia de
temperatura) para la transferencia de calor.

59. TRABAJO
La energía puede cruzar la frontera de un sistema cerrado
en forma de calor o trabajo; entonces, si la energía que
cruza la frontera de un sistema cerrado no es calor, debe
ser trabajo.
El trabajo es la transferencia de energía relacionada con
una fuerza que actúa a lo largo de una distancia.
El trabajo realizado por unidad de tiempo se llama
potencia y se denota como 𝑊 Las unidades de potencia
son kJ/s, o kW.

60. Calor y trabajo son cantidades direccionales y la
descripción completa de sus interacciones requieren
la especificación de la magnitud y la dirección.
Una forma de hacer esto es adoptar un convenio de
signo: generalmente se acepta para las interacciones
de calor y trabajo un convenio de signo formal, tal
que la transferencia de calor hacia un sistema y el
trabajo hecho por un sistema son positivos; la
transferencia de calor desde un sistema y el trabajo
hecho sobre un sistema son negativos. Otra forma es
usar los subíndices entrada y salida para indicar la
dirección

61. FORMAS MECÁNICAS DEL TRABAJO
El trabajo es la energía transferida cuando una fuerza actúa
sobre un sistema a lo largo de una distancia.
Hay dos requisitos para que se presente una interacción de
trabajo entre un sistema y el exterior:
1) debe haber una fuerza que actúe sobre los límites y
2) éstos deben moverse.

62. Trabajo de
flecha
La transmisión de energía mediante
un eje rotatorio (flecha) es una
práctica muy común en la ingeniería.
Con frecuencia el momento de
torsión T aplicado al eje es constante,
lo cual significa que la fuerza F
aplicada también es constante. Para
un determinado momento de torsión
constante, el trabajo hecho durante n
revoluciones se determina así: una
fuerza F que actúa por medio de un
brazo de momento r genera un
momento de torsión T

64. Trabajo de resorte

65. LA PRIMERA LEY DE LA
TERMODINÁMICA
La primera ley de la termodinámica, conocida también como
el principio de conservación de la energía, brinda una base
sólida para estudiar las relaciones entre las diversas formas
de interacción de energía. La primera ley de la termodinámica
establece que la energía no se puede crear ni destruir durante
un proceso; sólo puede cambiar de forma. Por lo tanto, cada
cantidad de energía por pequeña que sea debe justificarse
durante un proceso

66. Balance de
energía
El principio de conservación de la energía se expresa
como: el cambio neto (aumento o disminución) de la
energía total del sistema durante un proceso es
igual a la diferencia entre la energía total que entra
y la energía total que sale del sistema durante el
proceso. Es decir:

69. EFICIENCIA EN LA
CONVERSIÓN DE
ENERGÍA
El desempeño o eficiencia se expresa en
términos de la salida deseada y la
entrada requerida.
𝐷𝑒𝑠𝑒𝑚𝑝𝑒ñ𝑜 =
𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎

70. Usar aparatos eficientes en relación con el uso de la
energía y poner en práctica medidas para la conservación
de ésta ayudan a ahorrar dinero y a proteger el ambiente
al reducir la cantidad de contaminantes emitidos a la
atmósfera por el uso de combustible tanto en casa como
en las centrales eléctricas.

71. PROPIEDADES DE LAS
SUSTANCIAS PURAS
Capitulo 3

72. SUSTANCIA
PURA
Una sustancia que tiene una
composición química fija en cualquier
parte, es una sustancia pura. Una
sustancia pura no tiene que estar
conformada por un solo elemento o
compuesto químico. Una mezcla de
varios de éstos también califica como
una sustancia pura siempre y cuando
la mezcla sea homogénea. Una mezcla
de dos o más fases de una sustancia
pura se sigue considerando una
sustancia pura mientras la
composición química de las fases sea
la misma

73. FASES DE UNA
SUSTANCIA PURA
Existen tres fases principales que puede tener una sustancia:
sólida, líquida, o gaseosa. Sin embargo dentro de una misma fase
la sustancia puede presentar diferentes estructuras moleculares.
Las fuerzas de unión entre las moléculas son más fuertes en
sólidos y más débiles en los gases.

74. Procesos de
cambio de
fase de
sustancias
puras.

76. Temperatura y presión de saturación: Ha de
recordase que la energía absorbida o liberada
durante un proceso de cambio de fase se conoce
como calor latente. Específicamente, la cantidad
de energía absorbida durante el cambio de solido
a gas se conoce como calor latente de fusión. En
tanto que la cantidad de energía liberada
durante la condensación ( o absorbida durante la
vaporización) se conoce como calor latente de
vaporización

77. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA
PROCESOS DE CAMBIO DE FASE

78. Diagrama T-v
Se colocan pesas sobre el émbolo hasta que
la presión dentro del cilindro alcanza 1 MPa,
presión a la que el agua tendrá un volumen
específico un poco más pequeño al que
tenía cuando la presión era de 1 atm. A
medida que se transfiere calor al agua bajo
esta nueva presión, el proceso seguirá una
trayectoria muy similar a la del proceso
realizado con presión de 1 atm, aunque hay
algunas diferencias notables: primero, a 1
MPa el agua hervirá a una temperatura
mucho más alta (179.9 °C), y segundo, el
volumen específico del líquido saturado es
más grande y el del vapor saturado más
pequeño que los valores correspondientes
bajo la presión de 1 atm. Es decir, la línea
horizontal que conecta los estados de
líquido y vapor saturados es más corta.

79. PUNTO CRITICO
Para el caso del agua, a medida que
aumenta la presión, esta línea de saturación
se acorta y se convierte en un punto
cuando la presión alcanza el valor de 22.06
MPa. Este punto se llama punto crítico y se
define como el punto en el que los estados
de líquido saturado y de vapor saturado son
idénticos. La temperatura, la presión y el
volumen específico de una sustancia en el
punto crítico se denominan,
respectivamente, temperatura crítica Tcr,
presión crítica Pcr y volumen específico
crítico vcr.

80. Los estados de líquido saturado pueden conectarse
mediante una línea llamada línea de líquido
saturado, y los de vapor saturado mediante la línea
de vapor saturado. Estas dos líneas se unen en el
punto crítico formando un punto máximo en la
curva, mientras todos los estados de líquido
comprimido se localizan en la región a la izquierda
de la línea de líquido saturado, conocida como
región de líquido comprimido, y los de vapor
sobrecalentado se encuentran a la derecha de la
línea de vapor saturado, en la región de vapor
sobrecalentado. En estas dos regiones la sustancia
existe en una sola fase, líquida o vapor. Todos los
estados que abarcan ambas fases en equilibrio se
localizan bajo la curva de saturación, en la llamada
región de mezcla saturada líquido-vapor o región
húmeda.

81. Diagrama P-v
Considere un dispositivo de cilindro-émbolo que
contiene agua líquida a 1 MPa y 150 °C. En este
estado, el agua existe como un líquido comprimido.
Se eliminan una por una las pesas de la parte
superior del émbolo, de manera que la presión
dentro del cilindro disminuya poco a poco y se
permite que el agua intercambie calor con los
alrededores, de modo que su temperatura
permanezca constante. A medida que disminuye la
presión, el volumen del agua aumenta un poco, y
cuando la presión alcanza el valor de saturación
(0.4762 MPa) a la temperatura especificada el agua
comienza a hervir. Durante este proceso de
evaporación, tanto la temperatura como la presión
permanecen constantes, pero el volumen específico
aumenta. Una vez que se evapora la última gota de
líquido, la reducción adicional en la presión produce
otro aumento en el volumen específico.

82. TABLAS DE
PROPIEDADES
Para la mayor parte de las sustancias, las
relaciones entre propiedades
termodinámicas son demasiado
complejas para expresarse por medio de
ecuaciones simples; por lo tanto, las
propiedades suelen presentarse en forma
de tablas. Algunas propiedades
termodinámicas se miden con facilidad,
pero otras no y deben calcularse a través
de las relaciones que involucren
propiedades medibles. Los resultados de
estas mediciones y cálculos se presentan
en tablas con un formato conveniente.

83. • Entalpía
La entalpía 𝐻 es una propiedad que constituye la combinación
de la energía interna y el trabajo o energía de flujo.

84. • Estados de líquido saturado y de vapor
saturado

85. • Estados de líquido saturado y de
vapor saturado:

86. EJEMPLOS
• Temperatura del líquido saturado en un recipiente: Un recipiente
rígido contiene 50 kg de agua líquida saturada a 90 °C. Determine la
presión en el recipiente y el volumen del mismo.
• Temperatura del vapor saturado en un cilindro: Un dispositivo que
consta de cilindro-émbolo contiene 2 pies3 de vapor de agua
saturado a 50 psia de presión. Determine la temperatura y la masa
del vapor dentro del cilindro.
• Cambio de volumen y energía durante la evaporación: Una masa de
200 gramos de agua líquida saturada se evapora por completo a una
presión constante de 100 kPa. Determine a) el cambio de volumen y
b) la cantidad de energía transferida al agua.

87. • Mezcla saturada de líquido-vapor.
Con respecto a la mezcla de líquido-vapor saturado ha de decirse que
es aquella que se presenta cuando parte de la sustancia existe como un
líquido y parte como un vapor. Para analizar una mezcla se emplea una
nueva propiedad llamada calidad.
La calidad 𝑥 puede ser definida como la razón de la masa de vapor 𝑚𝑣𝑎𝑝
𝑜𝑟 a la masa total de la mezcla 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙.

88. • Mezcla saturada de líquido-vapor.
La calidad tiene significado sólo para vapor
húmedo, de ahí que para las regiones de líquido
comprimido o de vapor sobrecalentado no lo
tenga. Su valor está entre 0 y 1: la calidad de un
sistema compuesto por líquido saturado es 0 (o 0
por ciento) y la de uno compuesto por vapor
saturado es 1 (o 100 por ciento).
Un vapor húmedo se puede tratar como una
combinación de dos subsistemas: el del líquido
saturado y el del vapor saturado. Sin embargo,
por lo general se desconoce la cantidad de masa
en cada fase.

90. EJEMPLO 1: Presión y volumen de un vapor Húmedo: Un
recipiente rígido contiene 10 kg de agua a 90 °C. Si 8 kg
del agua están en forma líquida y el resto como vapor,
determine a) la presión en el recipiente y b) el volumen
del recipiente.

91. • Vapor sobrecalentado.
En la región hacia la derecha de la línea de vapor saturado y a
temperaturas por encima de la temperatura correspondiente al
punto crítico; una sustancia existe como vapor sobre calentado.
En comparación al vapor saturado, el vapor sobre calentado
está caracterizado por:
EJEMPLO: Energía interna del vapor sobrecalentado: Determine
la energía interna del agua a 20 psia y 400 °F.

92. • Líquido comprimido:
Las tablas para líquido comprimido no son muy comunes, Una de las razones por
las que no hay datos para líquido comprimido es la relativa independencia de sus
propiedades respecto a la presión. falta de datos para líquido comprimido, una
aproximación general es considerar al líquido comprimido como un líquido
saturado a la temperatura dada. Esto se debe a que las propiedades del líquido
comprimido tienen mayor dependencia de la temperatura que de la presión