2010 

Ing. Juan Manuel Campos Acosta 

Universidad Tecnológica de Torreón Universidad La Salle Laguna, A. C. 31/01/2010 

Principios de Termodinámica.          Guía del Alumno 

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Introducción a la Termodinámica

La palabra termodinámica proviene de las raíces griegas therme, que significa “calor”, y dynamis, que

significa “potencia”. La termodinámica se concibió como un estudio de los sistemas productores de

potencia, llamados máquinas de calor, los cuáles usaban fuentes que propiciaban la transferencia de calor a

las máquinas.

La termodinámica es una ciencia relativamente moderna, aunque no existe una definición formal, la termodinámica se acepta como la “ciencia de la energía”, es la encargada de estudiar las transformaciones de la energía y las relaciones entre las propiedades de los sistemas.

1. Dimensiones y Unidades Sistemas de Unidades

En la actualidad se emplean dos importantes sistemas de unidades en el trabajo científico y de

ingeniería. El sistema de unidades más extendido a nivel internacional es el Systéme International d’Unites o

SI que es adoptado en la mayoría de los países industrializados del mundo.

El otro sistema, comúnmente utilizado en Estados Unidos, recibe el nombre de sistema Inglés y aunque

todavía muchos lo usan en ese país, en términos científicos ya utilizan el SI, por lo que en un futuro cercano

no resultará extraña la desaparición de este sistema.

Ya que en el pasado la lista de unidades utilizadas era enorme, existía gran confusión en el manejo de

las mismas, motivo por el cual se decidió unificar criterios, y nombrar unidades solo para una cuantas

cantidades básicas o dimensiones primarias (elementales). Luego se definen otras cantidades o

dimensiones secundarias (derivadas) y se relacionan con respecto a las primarias. Las más fundamentales

de las unidades primarias son la longitud, la masa y el tiempo. La unidad SI para la longitud es el metro (m).

El área es el producto de dos longitudes y se expresa de manera correspondiente en metros cuadrados (m2).

La lista de dimensiones primarias crece a medida que se encuentran campos especializados. Por ejemplo,

en termodinámica la temperatura no está relacionada con las unidades antes mencionadas, por tanto, se

considera como unidad primaria; lo mismo para la carga, se considera unidad primaria en electricidad y así

sucesivamente.

Como los sistemas de uso más común para las aplicaciones de termodinámica implican unidades SI o

del sistema Inglés, el análisis posterior de las unidades se concentra en estos dos sistemas. La Tabla

siguiente enlista las unidades primarias en ambos sistemas más una secundaria que se refiere al caso

especial de la fuerza.

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Sistemas de Unidades y Dimensiones

Dimensión Unidad SI Unidad del Sistema Inglés

Masa

Longitud

Tiempo (t)

Temperatura (T)

Corriente eléctrica

Cantidad de sustancia

Fuerza

Intensidad luminosa

kilogramo (kg)

metro (m)

segundo (s)

Kelvin (K)

ampere (A)

mol (mol)

newton (N)

candela (cd)

libra masa (lbm)

pie (ft)

segundo (s)

grados Rankine (°R)

ampere (A)

mol (mol)

libra fuerza (lbf)

candela (cd)

El Sistema Internacional de Unidades emplea unidades básicas como el metro o el segundo. A dichas

unidades se les pueden añadir prefijos correspondientes a la multiplicación o división por potencias de 10, lo

que evita el uso de excesivas cifras decimales (por ejemplo, es más cómodo decir 3 centímetros que 0,03

metros).

PREFIJO SÍMBOLO

NOTACIÓN

CIENTÍFICA

AUMENTO O DISMINUCIÓN

DE LA UNIDAD

yota Y 1024 1.000.000.000.000.000.000.000.000 (un cuatrillón)

zeta Z 1021 1.000.000.000.000.000.000.000 (mil trillones)

exa E 1018 1.000.000.000.000.000.000 (un trillón)

peta P 1015 1.000.000.000.000.000 (mil billones)

tera T 1012 1.000.000.000.000 (un billón)

giga G 109 1.000.000.000 (mil millones)

mega M 106 1.000.000 (un millón)

kilo k 103 1.000 (un millar, mil)

hecto h 102 100 (un centenar, cien)

deca da 101 10 (una decena, diez)

base 100 1 (uno)

deci d 10-1 0,1 (un décimo)

centi c 10-2 0,01 (un centésimo)

mili m 10-3 0,001 (un milésimo)

micro µ 10-6 0,000001 (un millonésimo)

nano n 10-9 0,000000001 (un milmillonésimo)

pico p 10-12 0,000000000001 (un billonésimo)

femto f 10-15 0,000000000000001 (un milbillonésimo)

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atto a 10-18 0,000000000000000001 (un trillonésimo)

zecto z 10-21 0,000000000000000000001 (un miltrillonésmo)

yocto y 10-24 0,000000000000000000000001 (un cuatrillonésimo)

Estos prefijos pueden agregarse a la mayoría de las unidades métricas para aumentar o disminuir

su cuantía. Por ejemplo, un kilómetro es igual a 1.000 metros.

2.1 Conceptos utilizados en Termodinámica

Materia o Masa: En ciencia, término general que se aplica a todo lo que ocupa espacio y posee los atributos de

gravedad e inercia. En la física clásica, la materia y la energía se consideraban dos conceptos diferentes

que estaban detrás de todos los fenómenos físicos. Los físicos modernos, sin embargo, han demostrado que

es posible transformar la materia en energía y viceversa, con lo que han acabado con la diferenciación

clásica entre ambos conceptos. En el SI, la masa se mide en kilogramos (kg); en el Sistema Inglés se mide

en libras masa (lbm).

Fuerza: F = m*a

En física, cualquier acción o influencia que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. Las fuerzas se miden por los efectos que producen, es decir, a partir de las deformaciones o

cambios de movimiento que producen sobre los objetos. Un dinamómetro es un muelle o resorte graduado

para distintas fuerzas, cuyo módulo viene indicado en una escala. En el SI, la fuerza se mide en newtons

(N); en el Sistema Inglés, la fuerza se mide en libras fuerza (lbf).

Ejemplo: Una fuerza de 2 N actúa sobre un cuerpo para producir una aceleración de 10cm/s2. ¿Cuál es

la masa (en kg) del cuerpo?

Dado: F = 2 N, a = 10 cm/s2 para un cuerpo.

Encontrar: m (en kg).

Solución: La segunda ley de Newton sobre el movimiento da la expresión para m: 2 

10  /

2 10 

1 100 1 

 

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La elección de numerador y denominador en cada factor de conversión es impuesta por las

unidades que han de eliminarse en la expresión. Cada factor de unidad se basa en la relación

apropiada entre unidades equivalentes en magnitud y dimensión.

Volumen, Volumen Específico y Densidad [ V, ν, ρ = f (T, P) ]

El volumen de un cuerpo regular está determinado por una superficie que se desplaza a lo largo de una longitud; en general, el volumen es un número que indica la porción de espacio que ocupa un cuerpo.

El volumen específico (ν) de una sustancia se define como el volumen entre unidad de masa de una

sustancia. Si V es el volumen total del sistema y m es la masa total del sistema, entonces el volumen

específico está dado por:

ν               La densidad de la sustancia (ρ,se define como la masa sobre unidad de volumen, o

ρ            Como se ve en estas ecuaciones, la densidad es el recíproco del volumen específico. En el Sistema

Inglés, las unidades del volumen y la masa son, respectivamente, el pie cúbico (ft3) y la libra masa (lbm).

Las unidades correspondientes para ν y ρ son ft3/lbm y lbm/ft3.

En el SI las unidades del volumen y la masa son el m3 y el kg respectivamente. El volumen específico

se expresa en m3/kg, mientras que la densidad se mide en kg/m3.

Ejemplo: El agua tiene una densidad de 1000 kg/ m3 a temperatura ambiente. ¿Cuál es el volumen

específico del agua? Calcule el volumen que ocupan 2 kg de agua a temperatura ambiente.

Dado: ρagua = 1000 kg/ m3, magua = 2 kg

Encontrar: (a) νagua y (b) V para 2 kg de agua

Solución:

a) Por definición, ν = 1/ρ = 0.001 m3/ kg para el agua a temperatura ambiente.

b) Otra vez, por definición, V = mν = (2 kg)( 0.001 m3/kg) = 0.002 m3

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Temperatura: T = f (P, ν, ρ)

La noción de temperatura como el grado de calor (o frío) de un cuerpo es algo que se basa en nuestros

sentidos, sin embargo, no es posible confiar en nuestros sentidos a fin de obtener una escala segura y

objetiva para medir la temperatura, para estos casos existen otros sistemas en los cuales si podemos

confiar: la termometría empírica, esta se basa en la ley cero de la termodinámica: “Cuando dos cuerpos

están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo, los dos cuerpos están en equilibrio térmico entre sí, y se dice que los tres cuerpos están a la misma temperatura”.

Las temperaturas relativas se miden a través de dispositivos llamados termómetros. Para medir la

temperatura de un cuerpo, lo único que se necesita es una sustancia que posea una propiedad que pueda

medirse y que varíe con la temperatura.

Una escala de temperatura absoluta es aquella sobre la cual las lecturas de temperatura son

independientes de la sustancia que se use.

Las principales categorías de dispositivos de medición de temperatura incluyen los termómetros de expansión: termómetro bimetálico (expansión sólida), termómetro de mercurio en vidrio (expansión líquida)

y el termómetro de gas (expansión de gas); los termómetros de resistencia: los termopares y los

pirómetros. Cada dispositivo tiene ventajas propias para ciertos tipos de aplicaciones y en intervalos

particulares de temperatura. Se necesita una escala estándar para integrar y comparar estos diferentes

dispositivos de medición de temperatura.

Fig. 2.1 Termómetro de mercurio. Fig. 2.1 Termómetro digital de exteriores.

Fig.2.3 Sensor de Temperatura. Fig. 2.4 Termómetros bimetálicos.

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Fig. 2.5 Pirómetro. Fig. 2.6 Termómetros de resistencia (RTD).

La temperatura es una dimensión primaria en todos los sistemas de unidades, sin embargo, se usan

unidades diferentes en los distintos sistemas. En el SI, la unidad primaria de temperatura es el Kelvin (K) –en

este caso no aplica el prefijo (°) -, que se utiliza para temperaturas absolutas.

La temperatura del cero absoluto es la temperatura más baja teóricamente alcanzable, en la que cesa el

movimiento molecular de cualquier sustancia. La escala Kelvin inicia en el cero absoluto.

La unidad secundaria de temperatura en SI es el grado Celsius, que se relaciona con la escala Kelvin

de manera siguiente:

T (°C) = T (K) – 273

En el Sistema Inglés la unidad primaria es el grado Rankine (°R), sin embargo, también existe la

unidad de temperatura absoluta y corresponde al grado Fahrenheit (°F), así la relación entre las dos escalas

del sistema inglés está dada por:

T (°F) = T (°R) – 460

La relación entre escalas de los sistemas Inglés y SI para la conversión de temperaturas es

T (°C) = 5/9 [T (°F) – 32] ó T (°F) = 1.8T (°C) + 32

Ejemplo: Convertir –40 °C a (a) K, (b) °F, y (c) °R

Dado: T (°C) = - 40 Encontrar: (a) K, (b) °F, y (c) °R

Solución: De acuerdo con la relación T(°C) = T(K)– 273.15, despejando: T(K) = T(°C)+273

T (K) = - 40 + 273 = 233 K

De nueva cuenta, ahora con T (°F) = 1.8 T(°C) + 32, sustituyendo:

T (°F) = 1.8 (- 40) + 32 = - 40 °F

Finalmente, la relación T (°F) = T (°R) - 460, despejando tenemos:

T (°R) = T (°F) + 460, sustituyendo valores:

T (°R) = - 40 + 460 = 420 °R

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Presión: P = F / A P = f (m, T, ν)

La presión en termodinámica es lo mismo que el concepto de presión en mecánica, y se define como la fuerza normal entre la unidad de área que actúa sobre una superficie. Frecuentemente el

término presión se reserva para los fluidos (líquidos y gases); cuando se trata de sólidos, suele utilizarse el

término esfuerzo normal.

Para medir la presión del aire atmosférico normalmente se usan barómetros, mientras que para medir

las presiones de los fluidos en relación de la presión con el aire atmosférico del ambiente, se usan

manómetros, las lecturas obtenidas en estos últimos se denomina presión manométrica. La presión absoluta

se obtiene sumando la presión manométrica a la atmosférica, tal como se muestra en la figura 2.13.

Fig. 2.7 Barómetro de Torricelli. Fig. 2.8 Barógrafo (aviación).

Fig. 2.9 Manómetro de tubo en “U”. Fig. 2.10 Manómetro digital (para neumáticos).

Fig. 2.11 Manómetros y presostatos. Fig. 2.12 Sensor de presión (uso industrial).

Vapor de mercurio

Presión atmosférica

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En el Sistema Inglés la presión se mide en (lbf/plg2) y se abrevia como psi; para la presión absoluta

usamos lbf/plg2 abs o psia. En las presiones manométricas se usa lbf/plg2 man o psig.

Si la presión del fluido está por debajo de la presión ambiental, se le denomina de “vacío”, para indicar

que la cantidad dada debe restarse de la presión atmosférica, a fin de determinar la presión absoluta del

fluido.

Fig. 2.13 Relación de presiones.

En el SI la unidad es el newton sobre metro cuadrado (N/m2), también llamado Pascal (Pa), equivale a

la fuerza de 1 N que actúa sobre un área de 1 m2 (es decir 1 Pa = 1 N/m2). La diferencia entre las unidades

de presiones absoluta y manométrica se obtiene añadiendo “abs” o “man” después de Pa o kPa. La presión

también se mide en atmósferas. Una atmósfera (atm) es igual a 101.325 kPa o 14.696 psi y equivale a la

presión ejercida en la base de una columna de mercurio que tiene 760 mm de altura.

También se usa el bar para representar una presión igual a 100 kPa (a nivel del mar la presión es 1.013

bar); esta unidad se usa en varias tablas de propiedades para el agua y el vapor de agua y un gran número

de refrigerantes.

Ejemplo:

La presión del aire en un neumático de automóvil es de 30 psia cuando la presión atmosférica

es de 14.7 psia.

Convierta la presión a: (a) psig. (b) KPa (man).

Dado: Pneumático = 30 psia, Patm = 14.7 psia (101.325 kPa = 1 atm = 10.33 mca)

Encontrar: Pneumático (a) en psig y (b) en kPa (man).

Solución: Las relaciones entre las presiones manométrica y absoluta se dio como:

Pman = Pabs – Patm

P = 0

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Si aplicamos la ecuación, tenemos que:

a) Pneumático (man) = 30 psia – 14.7 psia = 15.3 psig

b) Pneumático (man) = 15.3 psig (101.325 kPa / 14.7 psi)

= 105.46 kPa (man)

Presión Atmosférica (Patm)

También conocida como Presión Barométrica, es la presión ejercida por la columna de aire

atmosférico, desde el límite de la atmósfera hasta un nivel de referencia, esto es, la columna de

aire dependerá de la altura a la que se encuentre el lugar o localidad de referencia, a mayor altura,

menor la presión atmosférica y viceversa. Por ejemplo, a nivel del mar, la presión de dicha

columna de aire es capaz de desplazar una columna de mercurio equivalente en un barómetro de

Torricelli, cuyo valor es de 760 mm a temperatura ambiente y en un día soleado.

A continuación se describen los valores estándar de presión atmosférica de diferentes

localidades en nuestro país en función de su altura con respecto al nivel del mar.

Localidad

Altura sobre el nivel del mar

(snm) Columna Barométrica Presión

Atmosférica

(m) (mm Hg) Metros

columna de agua (mca)

(bar)

Acapulco, Gro. 3 760 10.33 1.013

Tijuana, BCN. 28 758 10.30 1.010

Piedras Negras, Coah. 220 741 10.07 0.980

Monclova, Coah. 586 711 9.66 0.948

Torreón, Coah. 1140 667 9.06 0.889

Saltillo, Coah. 1609 632 8.59 0.842

México, DF. 2240 585 7.95 0.780

Toluca, EdoMex. 2675 557 7.57 0.742

Para todas las localidades de la tabla anterior se consideró un valor de 9.81 m/s2. Los valores

de columna y presión al nivel del mar pueden emplearse para determinar los valores de otras

localidades por medio de una regla de tres simple.

Para Torreón, por ejemplo: Patm= (667 mm Hg) (1.013 bar / 760 mm Hg) = 0.889 bar Patm= (667 mm Hg) (10.33 mca / 760 mm Hg) = 9.06 mca

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Energía: U = Q – W

La energía es un concepto central en termodinámica, sin embargo, la noción de energía como la

capacidad de efectuar un trabajo no es una definición satisfactoria desde el punto de vista termodinámico.

Es importante darse cuenta que el concepto termodinámico de energía se deriva estrictamente de la primera ley de la termodinámica: “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Cuando

un combustible arde en el aire, la energía química del combustible se transforma en otra forma de energía

que suele denominarse calorífica o térmica. Ninguno de estos términos resulta verdaderamente apropiado

en termodinámica, por tanto, en esta ciencia se usa el término energía interna en lugar de los dos

anteriores para hablar de la energía que un sistema posee en virtud de su estado termodinámico.

La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica, química, eléctrica,

radiante o atómica. Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos

adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma

total permanece constante.

En termodinámica, la energía es una propiedad derivada que tiene relación tanto con el trabajo como con el calor. La unidad de la energía en el SI es la misma que la del trabajo y el calor, se mide en

joules (J). Se define como la fuerza de 1 N que actúa a lo largo de un desplazamiento de 1 m (en la

dirección de la fuerza). En otras palabras:

1 Joule = 1 N * m

Hay dos diferentes sistemas de unidades del sistema Inglés para la energía: la que se refiere al trabajo

mecánico, que incluye las energías cinética y potencial, se miden en lbf * ft; y la que refiere a los efectos de

calentamiento, se miden en BTU (Unidad Térmica Británica).

1 BTU = 778.16 lbf * ft

Al trabajar con ecuaciones que implican las unidades del Sistema Inglés para energía y otras

cantidades como el trabajo y el calor, se debe tener especial cuidado en asegurar que las unidades para los

diversos términos en las ecuaciones sean consistentes.

La energía interna total se define mediante la siguiente fórmula:

Donde: U es la energía interna.

Q es el calor total del sistema.

W es el trabajo desarrollado por el sistema.

Ejemplo:

El calor específico (c) del agua (definido como el calor necesario para elevar la temperatura de una

unidad de masa de agua en una cantidad unitaria) es de 1 BTU/(lbm x °R). Convierta esto a J/(kg x K)

usando sólo las equivalencias para la energía las dimensiones primarias.

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Dado: c = 1 BTU/(lbm x °R) para el agua.

Encontrar: c en J/(kg x K).

Solución: Los factores de conversión de unidades se obtienen por medio de las equivalencias para las dimensiones primarias en los libros relacionados a la asignatura:

Potencia: Pot = W / t

La potencia también es una cantidad derivada y se define como el flujo de energía entre unidad de tiempo. Normalmente, la potencia se refiere a potencia mecánica, que se define como la velocidad con

que se efectúa un trabajo. Sus unidades en SI es el watt (W), o bien: 1 W = 1 J/s

En el sistema Inglés para la potencia mecánica son: ft * lbf/s y el caballo de potencia (hp). La relación

entre estas dos unidades es la siguiente: 1 hp = 550 ft * lbf/s

También existen unidades del sistema inglés para definir la potencia de calentamiento (o enfriamiento),

se miden en Btu/h y Btu/s. La relación entre los hp y éstas últimas es: 1 hp = 2545 Btu/h = 0.707 Btu/s

Entalpía: h = u + Pν

Entalpía (del prefijo en y del griego thalpein calentar), tal palabra fue acuñada en 1850 por el físico

alemán Clausius. La entalpía es una magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H o h, la variación

de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema

termodinámico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su

entorno.

La entalpía (también llamada contenido de calor), en el SI la unidad de medida es el kilojoule sobre

kilogramo (kJ/kg) o también, aunque en desuso, en kcal/kg. En el Sistema Inglés la unidad de medida es la

Unidad Térmica Británica sobre libra masa (BTU/lbm). Por otro lado, la entalpía es una variable de estado,

(que sólo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energía interna de un

sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión.

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en

cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida experimentalmente. El cambio de la

entalpía del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido

por el sistema durante dicho proceso.

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La entalpía total se define mediante la siguiente fórmula: Donde: U es la energía interna.

p es la presión del sistema.

V es el volumen del sistema.

Entropía:

En termodinámica, la entropía (simbolizada como S o s) es la magnitud física que mide la parte de la

energía que no puede utilizarse para producir trabajo. En un sentido más amplio se interpreta como la

medida de la uniformidad de la energía de un sistema. Es una función de estado de carácter extensivo y su

valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra

entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación.

Cuando se plantea la pregunta: ¿por qué ocurren los sucesos de la manera que ocurren, y no al revés?

se busca una respuesta que indique cuál es el sentido de los sucesos en la naturaleza. Por ejemplo, si se

ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que eventualmente el trozo

caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, logrando al final una temperatura uniforme. Sin embargo, el

proceso inverso, un trozo calentándose y el otro enfriándose es muy improbable a pesar de conservar la

energía. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente, es decir, maximizar la entropía.

La función termodinámica entropía,         δQ/T, es central para la segunda Ley de la Termodinámica.

La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un

sistema altamente distribuido al azar tiene una alta entropía. Puesto que un sistema en una condición

improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una

distribución al azar), esta reorganización resultará en un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un

máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzándose la configuración de mayor probabilidad.

La entropía coloquialmente puede considerarse como el desorden de un sistema, es decir, cuán

homogéneo está el sistema. Por ejemplo, si tenemos dos gases diferentes en un recipiente separados por

una pared (a igual presión y temperatura) tendremos un sistema de menor entropía que al retirar la pared,

donde los dos gases se mezclarán de forma uniforme, consiguiendo dentro del recipiente una mayor

homogeneidad que antes de retirar la pared y un aumento de la entropía.

La variación de entropía nos muestra la variación del desorden molecular ocurrido en una reacción

química. Si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular

(mayor entropía) que los reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más

ordenados.

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2.2. Conceptos Básicos y Modelado Termodinámico

Conceptos

Los conceptos son una parte esencial del desarrollo y la exposición de cualquier ciencia. Representan

las ideas y el lenguaje comúnmente utilizados en la industria. La termodinámica usa muchos conceptos,

entre los cuales se encuentran algunos tan básicos como sistema, equilibrio, propiedades y procesos, por

nombrar algunos. Otros más son consecuencia de las leyes de la termodinámica, como energía, entropía y

exergía. No es posible considerar con detalle estos conceptos hasta que se hayan analizado las leyes

pertinentes. En esta etapa resulta de utilidad plantear los conceptos fundamentales y demostrar su uso en el

modelado de los sistemas y procesos termodinámicos.

Fig. 2.14 Motor de combustión interna.

Un sistema termodinámico es una región en el espacio, o una colección fija de materia, encerrada por

una frontera real o imaginaria. La frontera puede ser rígida o flexible, y el sistema puede ser fijo o

moviéndose por el espacio. Uno de los pasos más importantes en la formulación de cualquier problema de

termodinámica es una definición clara e inequívoca del sistema termodinámico y la frontera del sistema

relacionada con él. Los sistemas termodinámicos por lo general tienen interacciones con su entorno, figura

2.15; tales interacciones implican la transferencia o el intercambio de algún producto a través de la frontera

del sistema. En la práctica, solo aquellas porciones de materia en el entorno que pueden resultar afectadas

por los cambios que ocurren dentro del sistema son importantes y, por tanto, dignas de consideración.

Fig. 2.15 Esquema representativo del motor de combustión interna.

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En general, hay tres tipos de sistemas: cerrados, abiertos y aislados, en la figura 2.16 se da un

ejemplo de cada uno. El sistema cerrado, no tiene cruce de masa en la frontera del sistema. Este tipo de

sistema puede tener transferencia de energía (ya sea como calor o como trabajo) a través de la frontera,

pero ninguna sustancia material cruza la frontera del sistema.

Fig. 2.16 Sistemas Termodinámicos.

La figura (b) es un ejemplo de sistema abierto a través de cuyas fronteras pueden ocurrir

transferencias de energía y materia. Un ejemplo sencillo para ilustrar este sistema, se da con el inflado de

una llanta. Conforme entra aire a la llanta, tanto la forma y el tamaño de ésta cambian. Si el interior de la

llanta se define como sistema, la categorización del sistema abierto es más apropiada que la descripción de

volumen de control como la acepción más utilizada.

Un sistema aislado es difícil de representar en la naturaleza y solo se puede concebir, por ejemplo,

como un cuerpo vagando en el espacio, lo suficientemente alejado de la influencia energética de cualquier

estrella, donde no existe transferencia de calor, trabajo o de masa con sus alrededores.

Ejemplo: Sugiera un modelo apropiado para las siguientes operaciones como problema de sistema

cerrado o de sistema abierto:

(a) Bombeo de agua (mediante una bomba centrífuga) de un tanque a nivel del suelo a un tanque

elevado.

(b) Cocción de alimentos (contenidos en un recipiente cerrado).

(c) Generación de vapor en una caldera.

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Otros aspectos importantes a considerar en la clasificación de los sistemas son: el instante en que se

realiza la determinación del sistema y la selección del segmento o la totalidad de un conjunto de sistemas

entrelazados que forman un todo.

Así pues, en un sistema puede ser abierto o cerrado según el instante en que se realice dicho análisis,

por ejemplo: un motor de combustión interna común está compuesto de cuatro ciclos, dos se consideran

abiertos: admisión y escape, mientras que los otros dos son cerrados: compresión y expansión. Lo que

determina cada situación, es la posición de las válvulas en el análisis. Otro ejemplo es el que se muestra en

la figura 2.17.

Fig. 2.17 El neumático es un sistema abierto mientras se infla, una vez lleno, se convierte en sistema cerrado.

También, si analizamos el ciclo de refrigeración, podemos catalogarlo como abierto si seleccionamos

cualquiera de los elementos que lo componen: evaporador, condensador, válvula de expansión o compresor,

ya que el fluido entra y sale en dichos dispositivos; pero si consideramos el ciclo completo como sistema,

nos daremos cuenta que no existe transferencia de masa (líquido refrigerante) hacia el exterior, por lo cual

será catalogado como sistema cerrado.

Fig. 2.18 Representación esquemática de los sistemas abiertos más comunes.

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Definiciones

Una propiedad se define formalmente como cualquier característica observable o medible de un

sistema. Desde una perspectiva termodinámica, son propiedades: la temperatura, presión, volumen

específico, energía interna, entalpía, entropía, densidad, etc.

Un estado termodinámico se define por un par de propiedades que constituyan al sistema, éste es

único para los valores especificados en el momento de la observación o prueba, es decir, si alguna de las

condiciones varía un instante después, el estado termodinámico también habrá variado (aún y cuando la

variación de cualquiera de sus propiedades sea en una fracción de entero).

Un proceso se puede definir sencillamente como aquello que produce un cambio de estado en un

sistema. Un cambio de estado se produce cuando se altera el estado termodinámico de un proceso, el cual

se especifica en términos de los estados inicial y final, por ejemplo: el calentamiento o enfriamiento de un

fluido o substancia (ver figura 2.19), la disminución del volumen de agua al pasar de vapor a líquido, el

aumento o disminución de presión de un gas en un recipiente cerrado, etc.

Un proceso cuasiestático es aquél proceso ideal en que las desviaciones a partir del equilibrio son

infinitesimales, de manera que es posible considerar como estados de equilibrio a todos los estados por los

que atraviesa durante el proceso, cualquier variación por encima de la cantidad infinitesimal, hará que el

proceso esté fuera de equilibrio. La mayoría de los procesos reales están fuera de equilibrio.

Los procesos ideales son aquellos en los cuales todos sus procesos están en equilibrio y por lo tanto

no existen cambios o variaciones ni en el sistema ni en sus alrededores. Los procesos ideales más comunes

en termodinámica se enlistan a continuación:

Proceso Isométrico o Isocórico. Es un proceso a volumen constante

Proceso Isotérmico. Es un proceso a temperatura constante.

Proceso Isobárico. Proceso a presión constante.

Proceso Isoentrópico o Isentrópico. Proceso a entropía constante.

Proceso Adiabático. Proceso sin transferencia de calor.

Una trayectoria termodinámica se define como la serie de estados por los que pasa el sistema

durante el proceso, desde el estado inicial hasta el final. Figura 2.19.

Un ciclo termodinámico es cualquier proceso termodinámico, o conjunto de procesos, que inician y

terminan en el mismo punto, figura 2.19. Puede comprender procesos cuasiestáticos o fuera de equilibrio.

Por ejemplo: el ciclo de refrigeración, el ciclo de generación de vapor en una planta termoeléctrica, El ciclo

del agua en la naturaleza (se evapora en el medio ambiente, se condensa hasta solidificarse en las capas

superiores de la atmósfera, para luego caer en forma de lluvia).

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