El documento presenta un programa de termodinámica que incluye conceptos como las leyes de la termodinámica, calor, trabajo, entropía, procesos reversibles e irreversibles, diagramas de fase, máquinas térmicas y cálculos relacionados. También incluye problemas propuestos sobre eficiencia de máquinas térmicas.

1. Termodinámica
Lic. Juan Carlos Ugas
Junio de 2022

2. PROGRAMA TERMODINÁMICA
• 1.- ¿Qué es la termodinámica? Concepto de energía y sus transformaciones. Unidades y
conversiones. Formas de energía. Concepto de sistema y su entorno. Procesos reversibles
e irreversibles. Diagramas de Fase (P,V,T)
• 2.- Calor(Q) y Trabajo (W). Ecuación de la energía (W=F.d) relación con la fuerza y la
distancia. Diferencial térmico y formas de transferencia de calor. Temperatura y
transformación de unidades. Calor sensible y calor latente, calor de vaporización. Punto
triple del agua, punto de rocío y punto de burbuja. Capacidad calorífica (Cp), Conducción,
convección y radiación.
• 3.- Primera ley de la termodinámica. el balance de energía. La ecuación general de la
conservación de la energía. Concepto de entalpía. Ejercicios resueltos y propuestos.
• 4.- Segunda ley de la termodinámica. Concepto de Entropía (ΔS/T).
Ejercicios resueltos.
• 5.- Calculo de procesos industriales. Máquinas térmicas. Refrigeración. Calefacción,
secado, Destilación y fraccionamiento, procesos de separación. Ciclo de Carnot. Ciclo de
Otto. Balances de masa y energía. Recirculación y bypass.
• 6.- Combustión de hidrocarburos. Energías renovables no convencionales (Solar, Eólica,
Geotérmica, mareomotriz, undimotriz, biocombustibles) . Producción limpia. Aplicaciones y
usos. Ejemplos.
• 7.- Repaso General. Evaluación.

3. Segunda Ley de la
Termodinámica
1896 Ludwing Boltzmann estableció:
“ Las transformaciones de la naturaleza
buscan espontáneamente el camino
que les signifique un mínimo consumo
de energía, lo que determina un
máximo desorden”

4. Segunda Ley:
Todo sistema evoluciona
espontáneamente en el sentido en que
aumente el desorden, es decir,
evoluciona espontáneamente para
alcanzar la máxima entropía.

5. ESPONTANEIDAD.
NECESIDAD DE UNA SEGUNDA LEY.
Cambio espontáneo: Aquél que tiende a ocurrir sin
necesidad de ser impulsado por una influencia externa.
ENTROPIA
INTRODUCION:
Es el grado de
desorden y de
caos que existe en
la naturaleza.

6. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA
TERMODINAMICA
Todos los sistemas a un estado
donde energía sea mínima y su
entropía sea máxima.
El calor fluye espontáneamente de
un cuerpo de mayor temperatura a
otro de menor temperatura.
Es posible convertir todo el trabajo
en calor pero no todo el calor en
trabajo.
La entropía del universo está en
continuo aumento.

7. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA
TERMODINÁMICA. ENTROPÍA.
1er Principio Energía interna (U)
2º Principio Entropía (S)
rev
2 1
dq
S S S
T
 = − = 
2
1
Entropía
(S)
• Función de estado
• Propiedad extensiva
• Unidades: JK-1

8. Considere el siguiente proceso reversible:
SISTEMA
ALREDEDORES
UNIVERSO=SISTEMA+ALREDEDORES
S=+2.54 ue
S=-2.54 ue
Suniv=Ssist+Salred=+2.54+(-2.54)=0

9. Considere ahora un proceso irreversible:
S=-6.89 ue
S=+8.96 ue
Suniv=Ssist+Salred= -6.89+8.96=+2.07 ue

10. Esto nunca ocurrirá.
S=+1.35 ue
S=-7.88 ue
Suniv=Ssist+Salred= -7.88+1.35= -6.53 ue
El cambio de entropía del universo, nunca será negativo, siempre será positivo en los
procesos naturales (los procesos reales) y cero para los procesos reversibles (procesos
no reales)

11. ΔSuniv < 0
Disminución del desorden
Proceso no Espontáneo
Ej: Líquido - Sólido
ΔSuniv > 0
Aumento del desorden
Proceso Espontáneo
Ejemplo:
Liq ---- Gas
Solido – Liquido

12. • Cualquier proceso que ocurre espontáneamente
produce un aumento de entropía del universo
Segundo Principio de la Termodinámica
Criterio de espontaneidad: Suniv > 0
tiempo
S
univ
proceso
equilibrio

13. • En todo sistema en equilibrio, la entropía del universo
permanece constante.
• En todo proceso irreversible, la entropía del universo
aumenta.
Segundo Principio de la Termodinámica
Sistema en equilibrio: Suniv = Ssis + Sent = 0
Proceso irreversible: Suniv = Ssis + Sent > 0
desigualdad de Claussius: Suniv ≥ 0

14. La entropía puede considerarse como una medida de la
probabilidad (desorden)
S
Sólido Líquido Gas
S S
Soluto
+
Disolvente
Disolución
S

15. CÁLCULOS DE VARIACIÓN DE ENTROPÍA.
Proceso Cíclico.
Sistemas cerrados
= =
 = − =   rev
1 1
dq
dS 0
T
S S S
En un proceso cíclico el estado final es el inicial, con independencia de si es
reversible o irreversible.
Proceso Adiabático Reversible.
= =
 =   rev
dq
dS 0
T
S
En un proceso adiabático reversible dqrev=0, luego ΔS=0.
En un proceso adiabático irreversible dqrev=???

16. Proceso Isotérmico Reversible.
= = =
 = − =   
rev rev
rev
2 1
dq Q
1
dS dq
T T T
S S S
Procesos Isobáricos o Isocóricos Reversibles.
 = 
2
rev
1
dq
S
T
P = cte
= =
rev P
dq dH nC dT
 = =
 P
nC
S dT
T Si
Cp= cte
y no hay
cambio de fase
= 2
P
1
T
nC Ln
T
V = cte
= =
rev V
dq dU nC dT
 = =
 V
nC
S dT
T
= 2
V
1
T
nC Ln
T
Si
CV= cte

17. Cambio de Fase, [(T, P) = constantes].

= = = =
 = − =   
rev rev
rev
2 1
dq Q
1 H
dS dq
T T T T
S S S
cf
cf
cf
H
S
T

 =
Evaporación (líquido gas) ΔHvap >0 luego ΔSvap >0
Sublimación (sólido gas) ΔHsub >0 luego ΔSsub >0
Fusión (sólido líquido)

 = fus
fus
fus
H
S
T
> 0
> 0
> 0
Slíq > Ssol ; Sfus = Slíq- Ssol > 0

18. Cambio de Estado (Reversible o Irreversible) de un
Gas Ideal
 =  rev
dq
T
S +
= 
dU PdV
T dU=dqV=CVdT
+
=  V
C dT PdV
T
dU=dqrev+dwrev
dwrev= - PdV
−
 = 2 1
S
S S Función de estado
Si CV es constante  = +
 
V
dT P
S C dV
T T
al ser la sustancia es un Gas Ideal P/T = nR/V
 = + = +
  2 2
V V
1 1
T V
dT nR
S C dV C Ln nRLn
T V T V

19. INTERPRETACIÓN MOLECULAR
DE LA ENTROPÍA.
Un sistema puede describirse de dos formas:
* Macroscópicamente (P, V, T)
* Microscópicamente (posición y velocidad de cada átomo)
Con un estado macroscópico hay muchos estados microscópicos
compatibles.
La entropía es una medida del número de estados microscópicos
asociados con un estado macroscópico determinado.
Estado macroscópico:
* Ordenado
* Desordenado
Estado microscópico:
* Orden exacto de los naipes

20. Un sistema desordenado es más probable que uno ordenado porque tiene
más estados microscópicos disponibles.
La entropía tiene una tendencia natural a aumentar dado que corresponde
al cambio de condiciones de baja probabilidad a estados de probabilidad
mayor.
El Tercer Principio de la Termodinámica implica que si fuera
posible alcanzar el “cero absoluto” de temperatura, la
materia estaría totalmente “ordenada”. En el “cero absoluto
de temperatura”, sólo hay una posible disposición de las
moléculas, Sº(0K) =0 J/K.
Al aumentar T, las moléculas, y los átomos que las
constituyen adquieren una cierta movilidad, con lo que
pueden adoptar varias orientaciones con la misma
energía. Son posibles por tanto más “microestados”.

21. Segunda ley de la termodinámica
Reservorios (fuentes y sumideros) de energía
térmica
Un reservorio de energía térmica es un cuerpo
idealizado con una capacidad de energía térmica (
𝑚𝑎𝑠𝑎 × 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 ) relativamente grande
que puede suplir o absorber cantidades finitas de
calor sin que se dé ningún cambio en su temperatura.
Ejemplos incluyen: océanos, lagos, ríos, aire
atmosférico, o cualquier otro cuerpo físico cuya
capacidad de energía térmica sea relativamente
grande en comparación a la cantidad de energía que
suple o absorbe.
Una fuente es un reservorio que suple energía en
forma de calor.
Un sumidero es un reservorio que absorbe energía en
forma de calor.
Máquinas de calor.
El trabajo se puede
convertir fácilmente
en otras formas de
energía, pero convertir
otras formas de
energía en trabajo no
es fácil.
2
1

22. Segunda ley de la termodinámica
Máquinas de calor.
Una máquina de calor es un dispositivo para
parcialmente convertir calor en trabajo. Las máquinas
de calor pueden diferir considerablemente unas de
otras, pero pueden ser caracterizadas por lo siguiente:
a. Reciben calor de una fuente a alta temperatura.
b. Convierten parte de este calor en trabajo.
c. Rechazan el calor residual a un sumidero a baja
temperatura.
d. Operan en un ciclo.
Las máquinas de calor y otros dispositivos cíclicos
suelen involucrar un fluido sobre el cuál se dan las
interacciones de calor durante el ciclo. A este fluido
se le conoce como fluido de trabajo.
Un ejemplo de una máquina de calor lo constituye
una planta de vapor.
2
2

23. Segunda ley de la termodinámica
Máquinas de calor.
La eficiencia térmica es una medida de cuan
eficientemente una máquina de calor convierte el
calor que recibe en trabajo.
[kJ]
[kJ]
𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑊𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Eficiencia térmica
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 representa la cantidad de energía
desechada para poder completar el ciclo y
nunca es cero, por lo tanto el trabajo neto de
salida siempre será menor a la cantidad de
calor de entrada.
En las máquinas de calor, se desea el trabajo
neto y lo que se paga es el calor suministrado
al fluido.
Consecuentemente la
eficiencia térmica estaría dada por:
𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜
n=
𝑄
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝜂𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 = 1 −
𝑄
𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
2
3

24. Segunda ley de la termodinámica
5Máquinas de movimiento perpetuo.
Un dispositivo que viola la segunda ley es llamado
una máquina de movimiento perpetuo de segundo
tipo (PMM2).
6. Procesos reversibles e irreversibles.
Un proceso reversible es definido como un proceso
que se puede revertir sin dejar ningún rastro en los
alrededores. Es decir tanto el sistema como sus
alrededores regresan a su estado inicial al final del
proceso reversible.
Un proceso irreversible
reversible. Todos los
irreversibles.
es aquel que no es
procesos reales son
8

25. Problemas Propuestos
1-Cuál es la eficiencia de una máquina térmica a la cual se le
suministrarán 8000 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 420 J. Sabiendo que 1 cal = 4.2 J. ¿Qué puede opinar
al respecto?
4-Una máquina térmica teórica opera entre dos fuentes termales,
ejecutando el ciclo de Carnot. La fuente fría se encuentra a 127 °C y la
fuente caliente, a 427 ° C. ¿Cuál es el rendimiento porcentual de esa
máquina?

26. Problemas Propuestos
Una pieza de cobre de 2.6 kg que está a una temperatura de
650 K se arroja a un lago, cuya temperatura es 290 K.
Nota: suponer que la masa del agua del lago es tal que
prácticamente su temperatura no varía.
Determinar:
a) La variación de entropía de la pieza de cobre.
b) b) La variación de entropía del lago
c) c) La variación de entropía del universo.

27. Problemas Propuestos
Una máquina refrigeradora de Carnot
opera entre una temperatura exterior de
-8 °C y una temperatura interior de
250°C. Encuentre su coeficiente de
rendimiento.