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TERMODINÁMICA 
 
La termodinámica (del griego, termo , que significa “calor” y dínamis, que significa “fuerza” 
 
 La termodinámica se puede definir como la ciencia de la energía. 
 
energía: capacidad para causar cambios. 
 
La termodinámica estudia las transformaciones energéticas. 
 
SISTEMAS 
 
Un sistema termodinámico es una región del espacio que está sometida al estudio que se esté adelantando y que 
la limita una superficie que puede ser real o imaginaria, denominada frontera. La región externa al sistema que 
interactúa con él se denomina entorno del sistema. 
 
El sistema termodinámico interactúa con su entorno a través del intercambio de 
materia y / o energía. Una manera de clasificar los sistemas termodinámicos es 
considerando el modo de relación que tenga con su entorno: 
 
Sistemas abiertos (volumen de control): Aquellos que intercambian materia y 
energía con su entorno. 
Sistemas cerrados: Aquellos que intercambian energía pero no materia con su 
entorno. 
Sistemas aislados: Aquellos que no intercambian ni materia ni energía con su 
entorno. 
 
 
Figura 2. Sistemas abiertos, cerrados y aislados. 
 
Una olla a presión tapada y con agua, teniendo como límite su superficie externa, es un sistema aislado. Si la 
olla a presión se somete a calentamiento en una estufa, se comporta inicialmente como un sistema cerrado. 
Cuando la olla “pita” debido al flujo de vapor, es un sistema abierto. Un calentador de agua puede considerarse 
como un volumen de control (sistema abierto) ya que posee entrada y salida de masa. 
Figura 1. Sistemas, 
alrededores y frontera 
No se pueden considerar sistemas que intercambian materia pero no energía con sus alrededores, ya que la 
materia tiene implícito un contenido energético. 
 
VARIABLES TERMODINÁMICAS 
 
Un sistema termodinámico se caracteriza por un cierto número de variables llamadas variables termodinámicas 
o propiedades termodinámicas del sistema. Los valores de estas variables constituyen el estado 
termodinámico del sistema, y por esto a dichas variables se les conoce también con el nombre de variables de 
estado. Un cambio en el estado de un sistema debido a una interacción con su entorno se traduce en el cambio 
de por lo menos una de sus propiedades. 
 
Clasificación de las variables 
 
Una manera de clasificar las variables de estado es como variables externas y variables internas. 
 
 Una propiedad externa es aquella cuyo valor no depende de la sustancia que está dentro de los límites 
del sistema sino de la posición en el espacio de cuerpos exteriores al sistema, por ejemplo, el volumen 
de un gas en un cilindro con un pistón o un campo eléctrico. 
 
 Una propiedad interna es aquella cuyo valor depende de la naturaleza del medio que constituye el 
sistema, por ejemplo, la presión, la temperatura o la densidad. Son propiedades independientes una de 
otra cuando el sistema puede realizar un cambio de estado de tal manera que una de ellas varíe mientras 
la otra permanece constante. 
 
El acoplamiento de un sistema con su entorno se hace a través de las variables externas, que condicionan el 
valor de las otras variables, siendo por ello las variables externas las independientes por excelencia. Durante el 
cambio de fase de una sustancia pura, la presión y la temperatura permanecen constantes, siendo dependientes, 
mientras que el volumen sí cambia y puede formar con la presión o con la temperatura una pareja de 
propiedades con la que se puede definir el sistema. 
 
Otra clasificación de las variables de estado depende de su dependencia con la masa: variables extensivas y 
variables intensivas. Las extensivas dependen de la masa y son proporcionales a ella, por ejemplo, el volumen o 
la masa. Las intensivas no dependen de la masa, por ejemplo, la presión o la densidad. Dentro de las magnitudes 
intensivas se consideran también las magnitudes específicas y molares, es decir, magnitudes extensivas 
referidas a la unidad de masa o al mol, respectivamente. 
 
Densidad 
 
La densidad (ρ) es la razón de la masa por unidad de volumen, por ejemplo, kg/m
3
 o lb/ft
3
. Se expresa tanto por 
un valor numérico como por unidades adecuadas. Para determinar la densidad de una sustancia, es preciso 
conocer tanto su volumen como su masa. Las densidades de los líquidos y los sólidos no cambian 
significativamente con la presión en condiciones ordinarias, pero sí cambian con la temperatura. 
 
 
 
 
Volumen específico 
 
El volumen específico de una sustancia es el recíproco de la densidad, es decir, el volumen por unidad de masa 
o cantidad unitaria de material. Las unidades del volumen específico pueden ser ft
3
/lb, ft
3
/lbmol, cm
3
/g, m
3
/kg o 
relaciones similares. 
 
Peso específico (γ) 
 
Es el peso de un volumen unitario de una sustancia: 
 
γ = ρ g (peso/m
3
) (N/m
3
, lbf/ft
3
) 
 
Densidad relativa (peso específico relativo, SG) 
 
A menudo se piensa que el peso específico relativo es una relación adimensional. De hecho, debe considerarse 
como el cociente de dos densidades: la de la sustancia de interés, A, y la de una sustancia de referencia - cada 
una de las cuales tiene sus unidades asociadas. En símbolos: 
 
 
( ) 
( ) 
 
( ) 
( ) 
 
( ) 
( ) 
 
 
La sustancia de referencia en el caso de los líquidos y sólidos normalmente es el agua. Así, el peso específico 
relativo es el cociente entre la densidad de la sustancia en cuestión y la densidad del agua. 
 
ESTADO Y EQUILIBRIO 
 
El conjunto de propiedades que se pueden medir o calcular y 
describen por completo la condición del sistema se denomina 
estado. 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. 
 
El concepto de equilibrio está íntimamente ligado a las definiciones 
de propiedades y estados. Para un sistema, las propiedades que 
describen el estado de equilibrio del sistema deben ser constantes si 
dicho sistema no interactúa con los alrededores o si se permite la 
interacción completa del sistema con alrededores sin cambio. A este 
tipo de estado se denomina estado de equilibrio y las propiedades son 
propiedades de equilibrio. Cuando el sistema está en equilibrio con 
sus alrededores no debe cambiar a menos que los alrededores lo hagan. 
 
Los tipos específicos de equilibrio se refieren a propiedades individuales. Cuando una sola propiedad no cambia 
en el sistema, el equilibrio es específico respecto a ella. Ejemplos comunes son: 
 
 equilibrio térmico: cuando el valor de sus temperaturas es el mismo. 
 equilibrio mecánico: cuando el valor de sus presiones es el mismo. 
 equilibrio de fase: cuando existe más de una fase (estado de agregación) y la masa de cada una es 
constante 
 equilibrio difusivo: cuando el valor de sus potenciales químicos es el mismo. 
 
 
Figura 3. Un sistema en dos estados 
diferentes 
http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_t%C3%A9rmico
http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura
http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_mec%C3%A1nico
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Equilibrio_difusivo&action=edit&redlink=1
http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_qu%C3%ADmico
Postulado de estado 
 
El estado de un sistema se define mediante sus propiedades, pero no es necesario conocerlas todas con el fin de 
fijarlo. Una vez fijadas suficientes propiedades, los valores de las demás se asumen automáticamente, es decir, 
especificar cierto número de propiedades es suficiente para fijar su estado. El número de propiedades requeridas 
para fijar el estado de un sistema se denomina mediante el postulado de estado: 
 
“el estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas 
independientes” 
 
El postulado de estado requiere quelas dos propiedades especificadas sean 
independientes para fijar el estado; y son independientes si una de ellas puede 
variar mientras la otra se mantiene constante. Por ejemplo, la temperatura y el 
volumen específico son siempre propiedades independientes y juntas fijan el 
estado de un sistema compresible simple (figura 4). Sin embargo, la temperatura y 
la presión son propiedades independientes para sistemas de una sola fase , pero 
son propiedades dependientes para sistemas multifase. A nivel del mar (P = 1 
atm), el agua hierve a 100 °C pero en la cima de una montaña donde la presión es 
menor, el agua hierve a una temperatura más baja. 
 
 
 
 
PROCESOS Y CICLOS 
 
Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado 
por un sistema es un proceso, y la serie de estados por los que pasa 
un sistema durante este proceso es una trayectoria. Para describir 
completamente un proceso se deben especificar sus estados inicial y 
final así como la trayectoria que sigue y las interacciones con los 
alrededores. 
 
Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el 
sistema permanece infinitesimalmente cerca de un estado de 
equilibrio, se trata de un proceso cuasiestático o de 
cuasiequilibrio. Un proceso de este tipo puede considerarse lo 
suficientemente lento como para permitirle al sistema ajustarse 
internamente de modo que las propiedades de una de sus partes no 
cambien más rápido que las de otras. 
Cuando un gas en un dispositivo de cilindro-émbolo se comprime de 
forma repentina, las moléculas cercanas a la superficie del émbolo 
no tendrán suficiente tiempo para escapara y se concentrarán en una 
pequeña región frontal del émbolo, de modo que ahí se creará una 
región de alta presión. Como resultado de esta diferencia de presión, 
el sistema ya no está en equilibrio, lo que hace que el proceso no sea 
de cuasiequilibrio. Sin embargo, si el émbolo se mueve lentamente, 
las moléculas tendrán tiempo suficiente para redistribuirse y no 
habrá concentración de moléculas al frente del émbolo. Como 
resultado, la presión dentro del cilindro será siempre uniforme y 
aumentará con la misma rapidez en todos los lugares. Puesto que el 
equilibrio se mantiene todo el tiempo, se trata de un proceso de 
cuasiequilibrio. 
Figura 5. Un proceso entre los estados 1 
y 2 y su trayectoria. 
Figura 6. Proceso de compresión con y sin cuasiequilibrio 
Figura 4. El estado del nitrógeno se fija 
con dos propiedades independientes 
 
Los diagrama de proceso trazados mediante el empleo de 
propiedades termodinámicas en forma de coordenadas son muy 
útiles para tener una representación visual del proceso. Algunas 
propiedades comunes usadas como coordenadas son temperatura 
T, presión P y volumen V (o específico). En la figura 7. Se 
observa que la trayectoria del proceso indica una serie de estados 
de equilibrio por los que pasa el sistema durante un proceso, y 
que únicamente tiene importancia para proceso de 
cuasiequilibrio, para otros procesos no es posible caracterizar el 
sistema completo mediante un solo estado, por lo que carece de 
sentido hablar de una trayectoria del proceso para un sistema 
como un todo. 
 
Existen tipos de procesos en los que alguna propiedad particular 
permanece constante: 
 
 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 (isométrico) es aquel donde el 
volumen específico V permanece constante 
 
Un ciclo se presenta cuando un sistema regresa a su estado inicial al final del proceso, es decir, para un ciclo los 
estados inicial y final son idénticos. 
 
TEMPERATURA 
 
La definición de este término requiere de conocimientos de termodinámica, para fijar ideas a continuación de 
cita la definición de Maxwell: “La temperatura de un cuerpo es una medida de su estado térmico considerado 
como su capacidad para transferir calor a otro cuerpos” 
 
Las cuatro escalas de temperatura de más uso actualmente corresponden a dos escalas relativas (grados Celsius 
y grados Fahrenheit) y dos absolutas (kelvin y grados Rankine). 
 
Las escalas de temperatura absolutas tienen su punto cero en la temperatura más baja que se cree puede existir. 
Esta temperatura mínima se relaciona tanto con las leyes de los gases ideales como con las leyes de la 
termodinámica. La escala absoluta que se divide en unidades de grado del mismo tamaño que las de la escala 
Celsius (centígrado) se denomina escala kelvin; la escala absoluta que corresponde a las unidades de grado 
Fahrenheit se denomina escala Rankine, en honor de W. J. M. Rankine (1820-1872), un ingeniero escocés. Las 
relaciones entre la temperatura absoluta y la temperatura relativa se ilustran en la figura 8. 
 
Figura 7. Diagrama PV para un proceso 
de compresión 
 
Figura 8. Comparación de las escalas de temperatura 
 
Es preciso reconocer que el grado unitario (esto es, la diferencia de temperatura unitaria) en la escala kelvin-
Celsius no tiene el mismo tamaño que en la escala Rankine-Fahrenheit. Si Δ °F representa la diferencia de 
temperatura unitaria en la escala Fahrenheit, Δ °R la diferencia de temperatura unitaria en la escala Rankine, y Δ 
°C y Δ K las unidades análogas en las otras dos escalas, hay que tener presente que 
 
 
 
 
comparando las escalas, se tiene: 
 
 
 
 
Factores de conversión de temperatura: 
 
 Celsius - kelvin: TK = T°C + 273,15 
 fahrenheit - Celsius: T°R = 1,8 T°C + 32 
 fahrenheit – rankine: T°R = T°F + 459,67 
 
 
PRESION 
 
La presión se define como “fuerza normal por unidad de área”. Examine la figura 9. La atmósfera ejerce una 
presión sobre la parte superior del cilindro de agua, y el agua misma ejerce presión sobre la base del cilindro. La 
presión en el fondo de la columna estática (sin movimiento) de agua ejercida sobre la superficie inferior es: 
 
 
 
 
 
 
 
 Donde: p = presión en el fondo de la columna de fluido 
 F =fuerza 
 A = área 
 ρ = densidad del fluido 
 g = aceleración debida a la gravedad 
 h = altura de la columna de fluido 
 
 p0 = presión en la parte superior de la columna de fluido 
Figura 9. Presión normal 
 
Supongamos que el cilindro de fluido de la figura es una columna de mercurio que tiene un área de 1 cm
2
 y 50 
cm de altura. El peso específico del mercurio a 20 °C es 13,55 g/cm
3
. Por tanto, la fuerza ejercida 
exclusivamente por el mercurio sobre la sección de 1 cm
2
 de la superficie inferior es 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
y la presión: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
en el sistema estadounidense, la presión es: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A una columna de líquido suele llamársele cabeza del líquido, y la cabeza se refiere a la altura de la columna. 
Así, la presión de la columna de mercurio se podría expresar simplemente como 50 cm Hg, y la presión sobre la 
superficie inferior de la columna sería de 50 cm Hg + p0(en cm de Hg). 
 
Las presiones, al igual que las temperaturas, se pueden expresar en escalas tanto absolutas como relativas. El 
hecho de que un dispositivo para medir la presión mida la presión absoluta o la relativa depende de la 
naturaleza del instrumento medidor. Por ejemplo, un manómetro de extremo abierto (figura 10a) mediría una 
presión relativa (presión manométrica), ya que la referencia es la presión de la atmósfera sobre el extremo 
abierto del manómetro. Por otro lado, si cerramos el extremo del manómetro (figura 10b) y se crea un vacío en 
el extremo estaremos midiendo contra un vacío perfecto, o contra “ausencia de presión”; (p0 será cero). Estamedición se denomina presión absoluta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10. a) Manómetro de extremo abierto, b) Manómetro de presión absoluta 
 
 
La relación entre la presión absoluta y la relativa está dada por la siguiente expresión: 
 
presión absoluta = presión manométrica + presión barométrica