Unidad 1

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Unidad 1 
Introducción, Definiciones y Conceptos Fundamentales 
 
 
 
Esta unidad introductoria presenta los conceptos y definiciones termodinámicas básicas que se 
requieren para comprender principios físicos que gobiernan los fenómenos asociados a la transferencia 
de materia, energía y entropía, i.e., Primer y Segundo Principio de la Termodinámica. Estas 
herramientas establecen el marco de referencia para el análisis y desarrollo de cada una de las etapas 
que constituyen un proceso industrial químico. 
 
 
1.1 Introducción 
 
Qué es Termodinámica ? Ciencia que estudia la energía, sus diferentes manifestaciones, 
transformaciones, y propiedades de la materia asociada a la energía. 
 
Qué es Energía ? Capacidad que tiene un sistema de llevar a cabo modificaciones; de si mismo, y/o 
del ambiente que lo rodea. 
 
Cuántas formas de Energía existen ? Múltiples: Energía asociada a la estructura de la materia; 
energía de movimiento; energía de posición; energía electromagnética; etc. Además de las llamadas 
“energías en transito”: Calor y Trabajo Termodinámico. 
 
En qué se fundamenta la Termodinámica ? La base del conocimiento Termodinámico son las 
observaciones experimentales, las cuales han sido codificadas en lenguaje matemático a través de 
Leyes Termodinámicas: Primera; Segunda. La primera ley trata acerca del intercambio de energía, o 
cuanto de un tipo de energía es equivalente a otro tipo de energía (principio de conservación). La 
segunda ley está relacionada con toda clase de áreas: las transformaciones que son posibles y aquellas 
que no (eficiencia); determina la dirección del tiempo; mecánica estadística, etc. Cuando la primera y 
segunda ley se combinan, conducen a relaciones que permiten determinar cuanta es la energía que se 
puede extraer de un sistema en un medioambiente particular: disponibilidad energética o exergía. 
 
Por qué estudiar Termodinámica ? Como ingenieros de procesos nos interesa aprovechar la energía 
para fines que sean útiles a la Humanidad. La modificación de nuestro entorno a través del manejo de 
la energía nos permite lograr beneficios comunes. 
 
Cuál es la aplicación directa de la Termodinámica en Ingeniería de Procesos ? La Termodinámica, 
a través de sus leyes, participa en las etapas de diseño, construcción y optimización, de todos los 
procesos que involucren transformaciones de una forma a otra de energía. Tres ideas Unificadoras 
forman el núcleo de la Teoría Termodinámica: (i) Energía: Capacidad que tiene un sistema de llevar a 
cabo modificaciones; de si mismo, y/o del ambiente que lo rodea; (ii) Equilibrio: Condición de un 
sistema en el cual todas las fuerzas impulsoras potencialmente capaces de generar una alteración en el 
sistema y/o alrededores han sido anuladas; (iii) Estado: Condición física en la cual se encuentra un 
sistema, el cual puede describirse especificando un número limitado de variables observables. 
 
 
 
 
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Figura 1.1 Esquema simplificado de una planta para la producción de ácido nítrico (HNO3). 
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1.2 Definiciones 
 
Se denomina Sistema al sector del universo que se delimita y el cual se desea estudiar. El resto del 
universo lo constituyen los Alrededores (figuras 1.2-1.4). Un Sistema es Cerrado es aquel que no 
intercambia materia con los alrededores. Cuando existe intercambio de materia entre sistema y 
alrededores se lo considera un Sistema Abierto. Un Sistema es Aislado es aquel que no intercambia 
materia ni energía. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Un Proceso corresponde a una sucesión de transformaciones, cuantificadas por los cambios en las 
propiedades que describen un sistema, que lo llevan desde un estado o condición inicial a un estado o 
condición final, a través de una o varias etapas. Si el proceso se repite de manera continua, regresando 
al estado inicial, se dice que dicho proceso es Cíclico. 
 
Las Variables de Procesos pueden ser clasificada convenientemente en propiedades de Transporte: 
asociadas al movimiento del sistema ( τ , etc.), y propiedades Termodinámicas (T, P, H, S, G, etc.). 
Estas últimas a su vez son subdivididas en propiedades Termodinámicas Extensivas: su valor es 
Figura 1.2 Sistema cerrado: Cilindro-Pistón. 
Figura 1.3 Sistema abierto: Tanque de almacenamiento. 
Figura 1.4 (a) Sistema abierto; (b) Diagrama esquemático para análisis de ingeniería. 
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proporcional a la cantidad de materia (m, E, S, mv, V, n, mg, etc.); y propiedades Termodinámicas 
Intensivas o Funciones de Estado: su valor es independiente de la cantidad de materia presente en el 
sistema (ρ, T, P, µ, etc.) 
 
El carácter aditivo de las propiedades extensivas permite su intercambio entre sistema y alrededores, el 
cual puede ser cuantificado por medio de balances: materia; energía; entropía; cantidad de movimiento. 
Estas herramientas establecen el marco de referencia para el análisis y desarrollo de cada una de las 
etapas que constituyen un proceso. 
 
Se modifica la naturaleza extensiva de una propiedad a un carácter intensivo, refiriendo la primera a la 
unidad de materia o de moles. Sea M una propiedad extensiva cualquiera del sistema, se establecerá 
como nomenclatura: 
 
M̂ M m= Propiedad por unidad de materia (específica), e.g.: volumen específico 
 
M M n= Propiedad por unidad de mol (molar), e.g.: volumen molar 
 
M M t= Propiedad por unidad de tiempo, e.g.: caudal másico 
 
 
1.3 Conceptos Fundamentales 
 
Temperatura (T): Propiedad que manifiesta el estado energético o el nivel de energía interior (propia) 
de las moléculas de una sustancia. Intuitivamente se asocia a la sensación de lo “caliente” o “frío” que 
está un objeto (Figura 1.5). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El método más común de medir la temperatura es con un termómetro el que en su interior posee un 
fluido que se expande cuando es calentado. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) la 
temperatura se mide a través de una escala absoluta. La unidad se denomina Kelvin (K) y se considera 
al gas ideal como fluido termométrico. Un Kelvin corresponde aproximadamente a 1.38×10–23 Joule 
por partícula. 
 
T[K] T[ C] 273.15= ° + 
 
C 
 
F 
 
T 
 
T 
 
C 
 
F 
Bloque 
“caliente” 
Bloque 
“frío” 
Bloques en 
contacto 
Ambos bloques 
“tibios” 
Ambos bloques tienen 
distintos valores de ciertas 
propiedades. Tienen 
diferente temperatura 
Las propiedades de ambos 
bloques comienzan a 
cambiar. A medida que 
uno se calienta el otro se 
enfría 
Las propiedades de ambos 
bloques son idénticas. No 
cambian con el tiempo 
Figura 1.5 Definición intuitiva de temperatura. 
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En el Sistema Ingles de Unidades la temperatura se mide a través de una escala Fahrenheit. La unidad 
se denomina grado Fahrenheit (°F). La escala absoluta de este sistema corresponde a la escala Rankine 
(R). 
 
T[ F] 9 5T[ C] 32° = ° + T[R] T[ F] 459.67= ° + 
 
La Ley Cero de la Termodinámica establece que si dos sistemas A y B, están respectivamente en 
equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico 
entre sí (dos cantidades iguales a una tercera, son iguales entre si). 
 
Presión (P): Se define la presión de un fluido sobre una superficie, como la fuerza normal ejercida por 
el fluido por unidad de área de superficie. Para el casoparticular de un gas dentro de un recipiente, las 
partículas de gas intercambian momento a través de choques e interacciones con las moléculas de las 
paredes del recipiente (Figura 1.6). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El intercambio de momento está representado por una fuerza ejercida por cada molécula en el punto de 
colisión con la pared. Existe un gran número de colisiones sobre una gran área (A), el efecto 
macroscópico puede ser representado como una Fuerza (F) actuando sobre la totalidad del área. 
 
A
FP = 
 
La unidad básica en el SI de presión es el Pascal (Pa), que representa la fuerza ejercida por un Newton 
(N) sobre un metro cuadrado (m2) de superficie: N/m2. Se acostumbra emplear asimismo como 
unidades de medida para la presión: la Atmósfera, y el Bar. (0.98693 atm ≡ 1 bar). La unidad básica en 
el Sistema Inglés de presión corresponde a es la psi (poundal square inch ≡ libra fuerza por pulgada 
cuadrada). 
 
psia = libra fuerza por pulgada absoluta 
 
psig = libras fuerza por pulgada manométrica (gauge) 
 
Figura 1.6 Movimiento de partículas de un gas dentro de un recipiente 
Gas 
Pared 
Manómetro 
P 
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P[psia] P[psig] 14.7= + (1 atm ≡ 14.7 psia) 
 
Por definición en el sistema Inglés de unidades: 1 libra fuerza [lbf] ≡ 1 libra masa [lbm]. La corrección 
de las unidades de masa y fuerza se realiza empleando la constante gc: c f mg g 1 lb 1 lb= . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Trabajo (W): Se realiza trabajo (mecánico) cuando un cuerpo se desplaza contra una fuerza externa 
que se opone a su movimiento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
( )dW mg dx Fdx= = 
 
En la definición de trabajo mínimo requerido, la Fuerza aplicada (F) es aquella que se opone al 
movimiento del cuerpo (Peso: mg). 
 
El trabajo es energía en acción. El trabajo es un medio de transferir energía. El trabajo es energía en 
tránsito. El trabajo no corresponde a una propiedad inherente al sistema. El trabajo es una forma de 
interacción del sistema con los alrededores, significa que cuando uno gana, el otro pierde. Un tipo de 
Presión absoluta, 
superior a la 
atmosférica. 
Presión cero 
Presión atmosférica 
(barométrica) 
Presión leída por un manómetro (manométrica o relativa). 
Diferencia entre la presión absoluta y atmosférica.
Figura 1.7 Términos empleados para la medición de presión 
dx mg 
F 
Figura 1.8 Trabajo mecánico. 
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intercambio de energía del sistema con los alrededores se expresa por el trabajo realizado por la fuerza 
durante el desplazamiento. 
 
Trabajo termodinámico de expansión o compresión (WComp/Exp): Considérese un sistema cerrado de 
la Figura 1.9, formado por un mol de fluido confinado en un cilindro mediante un pistón de masa M 
(Peso: Mg) y fricción despreciable. El fluido al expandirse desplaza al pistón hacia arriba una longitud: 
dx, produciendo sobre él trabajo mecánico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
dW Mgdx= (Trabajo mecánico realizado sobre el pistón) 
 
De acuerdo a la Figura 1.9, si el movimiento del pistón es extremadamente lento se verifica en todo 
instante del proceso de expansión del gas la existencia de un equilibrio aparente entre la fuerza que se 
opone al movimiento del pistón (peso pistón: Mg) y la fuerza que origina su movimiento (expansión 
del gas: AP). El transito a través de sucesivos estados de equilibrio simultáneos se ve favorecido por la 
carencia de fricción del conjunto cilindro-pistón (mecánicamente ideal). 
 
PAMg = 
 
Comp / ExpdW Pd(Ax) PdV= = ( VAx = : Volumen del gas en el interior del cilindro) 
 
0
V
Comp / Exp
V
W PdV= − ∫ (Trabajo Termodinámico de Expansión o Compresión de un Gas) 
 
De acuerdo a la convención moderna se considera: positivo el trabajo que es realizado sobre el sistema; 
y negativo el trabajo que es realizado por el sistema 
 
Calor (Q): Considérese un recipiente de paredes rígidas cuya temperatura es menor al del gas que se 
introduce en su interior (ver figuras 1.6; 1.10-1.11). El choque de las moléculas de gas transmite 
energía a las moléculas de la pared, la cual se almacena como vibración (ley de Hook). Aumenta la 
energía interior del sólido, por lo cual aumenta su temperatura. La energía cinética perdida por las 
moléculas del gas se refleja a nivel macroscópico como una disminución de su temperatura. El valor 
promedio (macroscópico) de la energía intercambiada entre un sistema (gas) y el medio que lo rodea 
Figura 1.9 Sistema cerrado cilindro-pistón. 
Fluido (P)
M 
Fricción 
Despreciable 
Sistema 
Cilindro 
Pistón (área: A) 
x0 
x 
dx 
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(recipiente) como consecuencia de los intercambios individuales de energía, que ocurren como 
resultado de choques entre moléculas de dicho sistema y el medio que lo rodea, es llamado Calor. 
Siempre que no pueda expresarse como fuerza por distancia, en cuyo caso de se está presencia de 
intercambio de energía a través del mecanismo de trabajo termodinámico. Desde el punto de vista 
macroscópico, la transferencia de energía de las moléculas se asocia a la diferencia de temperatura 
entre el gas y los alrededores, denominando dicha transferencia energética con el nombre de calor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El calor no es una nueva forma de energía. Es simplemente el nombre genérico dado a una 
transferencia de energía en que participan un gran número de partículas. Microscópicamente se expresa 
como una transferencia de energía debido a una diferencia de temperatura de las partículas. El flujo de 
energía transcurrirá hasta que ambos, recipiente y gas, alcancen el equilibrio térmico i.e., se encuentren 
a igual temperatura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El calor no corresponde a una propiedad inherente al sistema. El calor no se almacena, es energía en 
tránsito. De acuerdo a la convención actual se considera: positivo el calor recibido por el sistema; y 
negativo el calor cedido por el sistema 
 
Calor y Trabajo son una forma de transferir energía y jamás serán almacenadas, es erróneo hablar de 
calor o trabajo contenidos en un cuerpo o sistema. La energía se almacena en sus formas cinética, 
Figura 1.11 Transferencia de energía por el mecanismo de calor. 
Pared Gas 
t 
T 
Recipiente 
Gas (sistema) 
Figura 1.10 Comportamiento de la temperatura de un gas dentro de un recipiente de paredes rígidas. 
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potencial e interna, las cuales residen en objetos materiales y existen por la posición, configuración y 
movimiento de la materia. Las transformaciones de la energía de una forma a otra y su transferencia de 
un lugar a otro ocurren por los mecanismos de calor y trabajo. 
 
La unidad en el Sistema Internacional para la energía o el trabajo es el Joule [Nm]. En el Sistema Inglés 
de ingeniería las unidades empleada para la energía son: BTU (British Thermal Unit); ft3psia; lbf ft. La 
equivalencia entre las diferentes unidades es: 1 Joule ≡ 9.47831×10–4 Btu ≡ 5.12197×10–3 ft3psia ≡ 
0.737562 lbf ft.