Capitulo_1_Procesos_de_transformacion_de

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Alexánder Gómez
Termodinámica Técnica
Fundamentos 
Bogotá, D.C., 2015
Capítulo 1.: Procesos de transformación de la 
energía y su análisis
Contenido
1.0 Introducción
1.1 Formas de la energía
1.1.1 Energía mecánica
1.1.2 Energía interna
1.1.3 Calor y trabajo
1.2 Análisis termodinámicos
1.2.1 Sistemas termodinámicos
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
1.3 Propiedades termodinámicas de la materia
1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas
1.4 Sistemas técnicos de transformación
1.4.1 Sistemas de generación de potencia
1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento
Contenido
1.5 Procesos termodinámicos
1.5.1 Estado termodinámico
1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos
1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado
1.5.4 Equilibrio termodinámico
1.6 Temperatura y equilibrio térmico
1.6.1 Ley cero de la termodinámica
1.6.2 Energía cinética molecular y temperatura
1.6.3 Temperatura empírica
1.7 Dimensiones y unidades
1.8 Resumen
1.0 Introducción
[*] Fuente: Plass, L.; Reimelt, S.: Status und Zukunft der Biotreibstoffe. En: Chem. Ing. Tech. 79 (2007), p. 561-568
1.0 Introducción
Calentamiento Potencia
Enfriamiento
Iluminación
Clasificación general de usos de la energía
1.0 Introducción
Primera ley de la termodinámica: principio de conservación de la 
masa y la energía  Criterio cuantitativo
Segunda ley de la termodinámica: asimetría de la 
transformación de la masa y la energía  Criterio cualitativo
Propiedades termodinámicas de la materia
Maquinaria y equipos de transformación
Tecnología
EconomíaEcología
Energía 
primaria
Procesos de 
transformación
Energía 
final
Energía útil
Usos no energéticos 
y disipación
Disipación
Termodinámica
Campos de estudio
Termodinámica química: 
equilibrio químico
Termodinámica técnica: 
equilibrio térmico
Escala de referencia
Termodinámica estadística: 
enfoque microscópico
Termodinámica clásica: enfoque 
macroscópico
Termodinámica 
de „no equilibrio‟
Termodinámica 
de „equilibrio‟
Tiempo
1.0 Introducción
Energía 
gravitacional
Energía 
geotérmica
1.1 Formas de la energía
Energía 
nuclear
Energía 
química
Energía 
solar 
Fuente de energía „Transportador‟ de 
energía
Combustibles 
fósiles
Radiación 
solar
Uranio y 
otros
Planetas, 
satélites
Núcleo 
terrestre
Procesos de 
transformación
Combustión
Fisión nuclear
Transferencia 
de calor
Absorción
Movimiento
Energía 
geotérmica
Energía solar
Energía 
gravitacional
Uso 
directo
Uso 
indirecto
Central térmica solar
Colectores solares (Q)
Fotovoltaica, celdas 
Energía hidráulica
Energía eólica
Celdas combustible; H2
Térmica: atmosférica
Biomasa
1.1 Formas de la energía
Fuentes renovables de energía
1.1 Formas de la energía
Energía
Energía 
interna: U
Energía 
mecánica
Calor: ΔQ
Trabajo: ΔW
Cinética: Ec
Potencial: Ep
Convección
Radiación
Conducción
Mecánico
Eléctrico,etc
Volumétrico
2
v2
c

m
E 
mgzE p
1.1.1 Energía mecánica
1p,11mec, mgzEE 
2
v22
c22mec,

m
EE 
cte.pcmec  EEE
0;0v 1c1  E
Energía mecánica:
m
m
Z2=0
Z1
0;0 2p2  Ez
UQ 
1.1.2 Energía interna
En un sistema en reposo, en el que la energía mecánica es cero, su 
energía total es igual a su energía interna U.
Energía térmica interna: energía cinética y 
potencial del movimiento molecular
Energía química: 
por los enlaces 
moleculares
Energía nuclear:
contenida en el 
núcleo o átomo
m
UEE  totalmec 0
Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de temperatura.
1.1.2 Energía interna
Q
W
m
U
Variación de la energía 
interna:
La energía interna de un sistema 
se modifica por el transporte de 
energía a través de las fronteras 
del sistema, por tres formas 
diferentes:
1.Por transferencia de calor
2.Por realización de trabajo
3.Por la energía asociada al 
transporte de masa
T
1.1.3 Calor y trabajo 
Mecanismos de transferencia de calor
21 TT  Conducción1T 2T
1fluido TT  Convección1fluidoT 1T
Radiación
Incidente
Absorbida
Transmitida
Reflejada
1.1.3 Calor y trabajo
Algunas formas de energía transferida por trabajo
1
2 Trabajo:   212112 cos dzFdzFW 
Trabajo volumétrico:
    2
1
2
1
V
rev,12 pdvdzApWV
p
dz
área transversal:A
Trabajo de eje:
  dMnW )()(2 d21 deje12 



d
d
n  ;
2d
Corte del eje
1.2 Análisis termodinámicos
Transformación de la energía
Principio de conservación: 
Primera ley de la termodinámica
Principio de asimetría: 
Segunda ley de la termodinámica
Análisis cuantitativo Análisis cualitativo
th
Calidad de la energía
Baja MediaAlta
Exergía Anergía
ex
Frontera: fs Ambiente: a
Imaginaria
Real
Estática
Móvil
Rígida
Variable
Analogía con la 
mecánica: diagrama 
de cuerpo libre
1.2.1 Sistemas termodinámicos
Identificación del objeto de análisis: 
Sistema termodinámico
1.2.1 Sistemas termodinámicos
Gas
Frontera:
• Sin espesor
• No ocupa masa ni volumen
• No permite acumulación de 
energía
• Su posición y propiedades se 
deben definir claramente (por 
medio de símbolos y texto)
• Puede ser conveniente el 
análisis a través de subsistemas
Ambiente
Identificación del objeto de análisis: 
Sistema termodinámico
Gas en dispositivo pistón-cilindro
dm
dm
dE
Abierto 
(volumen de control)
dm = 0 dE
Cerrado 
(masa de control)
dm = 0 dE = 0
Aislado
1.2.1 Sistemas termodinámicos
Sistema
Propiedades de intercambio
Energía Masa
Abierto o 
volumen de 
control
Sí Sí
Cerrado o masa 
de control
Sí No
Aislado No No
1.2.1 Sistemas termodinámicos
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
J. R. Mayer: realiza en 1842 la primera 
publicación del principio de la conservación de la 
energía en el sentido con el que se comprende 
actualmente.
J. P. Joule: en 1843 publica los resultados de sus 
estudios experimentales sobre el principio de 
conservación de la energía.
H. L. F. von Helmholtz: ofrece en su publicación 
de 1847 una interpretación mecánica completa 
del principio de conservación de la energía.
* Fotografías en dominio público
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
Algunas formulaciones de la primera ley:
• En toda modificación de un sistema aislado, la energía 
total del sistema se conserva constante
• La energía de un sistema se modifica únicamente con el
suministro o retiro de energía a través de sus fronteras.
• La energía ni se crea ni se destruye, solamente se
transforma.
1.2.2 Primera ley de la termodinámica
Q
 U
Aislamiento 
térmico T
QdU 
W
WdU 
Procesos para dT iguales:
Equivalencia energética entre el calor y el trabajo
Aumento de 
U por fricción T
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
Thomas Newcomen: desarrolla la primera 
máquina de vapor funcional en 1712, en Gran 
Bretaña. 
James Watt: desarrolla el condensador de vapor 
separado del sistema pistón cilindro de la 
máquina de vapor alrededor del año 1770.
Sadi Carnot: busca optimizar el funcionamiento 
de las máquinas de vapor mediante su análisis 
teórico. En 1824 se pregunta:
¿Tiene un límite el posible mejoramiento de la eficiencia 
térmica de la máquina de vapor?
¿Se puede convertir todo el calor en trabajo?
* Fotografías en dominio público
Clausius: „El calor no puede fluir por si mismo
desde una temperatura menor a una mayor‟
Thomson (Lord Kelvin): „Es imposible extraer
calor de un recipiente y convertirlo
completamente en trabajo sin causar otros
cambios en el universo‟
Max Planck: „Es imposible construir una máquina
que funcione cíclicamente, que no genere más
efectos que el de elevar una carga y enfriar un
recipiente térmico‟
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
* Fotografías en dominio público
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
T = 75 °C
Calor
Ambiente: T = 20 °C
T /°C
tiempo
El principio de Carnot introduce el cambio: la asimetría
¿Calor?
1.2.3 Segunda ley de la termodinámica
entQsalQ
mayorT
menorT
netoW
Sistema
entQ
netoent WQ 
mayorT
menorT
netoW
Sistema
¡Imposible!
La formulación tecnológica de la segunda ley establece que no es 
posible construir una máquina con una eficiencia térmica del 100 %.
Modelo de sólido: las moléculas tienen libertad de 
movimiento restringida y una energía vibracional alta.
1.3 Propiedades termodinámicas de la materia
Modelo de gas: las moléculas tienen mayor libertad de 
movimiento y una energía cinética alta.
Modelo de líquido: las moléculas están relativamente 
cerca, pero tienen mayor energía cinética que en el sólido 
correspondiente.
1.3 Propiedades termodinámicas de la materia
Diagrama de fases
A B
C
E
D
F
G H
I J
Sustancia: 
Dióxido de carbono - CO2
Superficie presión, volumen, temperatura
1.3.1 Propiedades intensivas, extensivas y específicas
Propiedades termodinámicas
p, T m, V
Propiedades intensivas: 
no dependen de la masa
Propiedades extensivas: 
dependen de la masa
m; T
21 TTT  21 2121 mmm 1: 1/2 2: 1/2
Propiedades específicas: 
extensivas / masa

1
 :específicoVolumen 
m
V
v
“Una teoría es tanto más impresionante cuanto mayor 
es la simplicidad de sus premisas, mayor variedad de 
cosas relaciona y más amplio es su campo de 
aplicación. A ello se debe la profunda impresión que 
me causó la termodinámica clásica. Es la única teoría 
física de contenido general de la que estoy 
convencido que, dentro del marco de aplicabilidad de 
sus conceptos fundamentales, nunca será derribada.”
[*]
A. Einstein
[*] Einstein, A.: “Autobiographical Notes,” en P. A. Schilpp (Ed.), Albert
Einstein: Philosopher-Scientist (Evanston, IL: Library of Living
Philosophers, 1971). [Traducción libre del texto original en alemán].
1.4 Sistemas técnicos de transformación
Clasificación según sus 
aplicaciones
Calentamiento y 
enfriamiento
Generación de 
potencia
Clasificación según las 
sustancias de trabajo
Operación con vaporOperación con gas
1.4.1 Sistemas de generación de potencia
Generación de potencia
Combustión externaCombustión interna
Operación con gas Operación con vapor
MotoresTurbinas
Joule-
Brayton
Motores Turbinas
Stirling Clausius-
Rankine
Seiliger 
o dual
Otto Diesel
1.4.2 Sistemas de calentamiento y enfriamiento
Calentamiento y enfriamiento
Calentamiento Refrigeración
Tradicional 
(egía. primaria)
Sistemas por 
compresión
Sistemas por 
absorción
Licuefacción 
de gases
Sistemas de 
bombas de calor
Sistemas de 
potencia - calor
Operación con gas Operación con vapor
Joule-Brayton 
invertido
Clausius-Rankine 
invertido
patm = 1,013 bar 
Liq. Liq. + vap. Vapor
V / m3
T / °C 
20 1
Expansión 
Estados: 1 2 3 4 5 6
Sistema heterogéneo: 
(2 fases) 
1.5 Procesos termodinámicos
Cambio de fase representado en el diagrama T – v
Sustancia pura: Agua - H2O
Sistema homogéneo: 
(1 fase) 
Propiedades: 
p, v, T
Cambios de estado, 
procesos y ciclos
),(),( vTfpyxfz Ecuación de estado:
70
2
100
3 4 5
6
• Sistemas homogéneos: composición química y
propiedades físicas iguales en todo el sistema (fase única).
• Sistemas heterogéneos: se componen de dos o más
fases. Se presentan gradientes apreciables en la interfase
(p.e., densidad).
• Sistemas continuos: variación continua de las propiedades
de las sustancias de trabajo (p.e.,una vela en combustión).
• Sustancias puras: tienen una composición química
uniforme e invariable. Si la sustancia se presenta en más
de una fase, su composición química se conserva en cada
una de ellas.
1.5 Procesos termodinámicos
Estado de un sistema: representa el conjunto de sus
propiedades mensurables y que son independientes de su
historia o trayectoria previa.
Estas propiedades describen el sistema de manera
macroscópica a través de la asignación de valores
numéricos determinados para ellas.
No todas las propiedades termodinámicas son
independientes entre sí.
1.5.1 Estado termodinámico
1.5.2 Cambios de estado, procesos y ciclos
Cambios de estado: constituyen el paso de un sistema de un
estado a otro debido a los efectos externos sobre el sistema
(solamente se pueden generar por variaciones en las
propiedades intensivas).
Procesos termodinámicos: corresponden a cambios o una
serie de cambios de estado asociados a una tecnología
específica.
Ciclos termodinámicos: constituyen un proceso o una serie
de procesos en los que el estado final es idéntico (en sus
propiedades termodinámicas) al estado inicial.
1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado
Ecuaciones de estado: son las expresiones matemáticas
para los posibles estados de equilibrio de un sistema. Estas
ecuaciones representan las relaciones entre las propiedades
del sistema. El estado se determina de manera unívoca
mediante los valores de sus propiedades independientes (no
todas son independientes entre sí) y que no son función de
la trayectoria del sistema (en el sentido termodinámico).
Propiedad Z como función de n propiedades independientes
X1, X2, … Xn :
Z = f ( X1, X2, … Xn ) [enunciado experimental]
1.5.3 Ecuación de estado y principio de estado
Principio de estado: El principio de estado establece que el
número de propiedades independientes en un sistema, es
uno más que el número de interacciones relevantes de
trabajo del sistema.
Sistema simple: Sólo se presenta una forma de transferencia
de energía por medio de trabajo.
Principio de estado para sistemas simples: El estado de un
sistema simple se especifica completamente por dos
propiedades intensivas independientes.
Equilibrio termodinámico: se presenta cuando las 
propiedades termodinámicas no varían al aislar el sistema de 
su ambiente (ausencia de gradientes).
Equilibrio
Equilibrio termodinámico
Químico
Fases Térmico, T
Mecánico, p
1.5.4 Equilibrio termodinámico
1.6 Temperatura y equilibrio térmico
Medida de lo „caliente‟ o „frio‟: sensaciones
Incapacidad de hacer mediciones precisas, reproducibles y 
en intervalos amplios
Se desarrollan los termómetros: usan como principio la 
medición de propiedades físicas que varían en función de 
la temperatura (dimensiones geométricas; resistencia 
eléctrica; potencia de radiación; fuerza electromotriz, etc.)
1.6.1 Ley cero de la termodinámica
“Dos cuerpos en equilibrio 
térmico (sistemas 1 y 2) con 
un tercero (sistema 3), están 
en equilibrio térmico entre sí.”
T1 
T2 
Sistema aislado
T1 > T2
Sistema 3
Termómetro
Luego de un tiempo 
suficiente t,
T1 = T2
Sistema 1
Sistema 2
1.6.2 Energía cinética molecular y temperatura
Energía térmica : formas sensible y latente de la energía 
interna
Calor: energía térmica en tránsito debido a una diferencia de 
temperatura.
1.6.3 Temperatura empírica
°C °F
100 212
0,01
0
40 104
PF PF
ΘC = 5/9 (ΘF – 32)
ΘF = 9/5 ΘC + 32
Líquido del termómetro: Mercurio
Fusión del hielo:
θ = 0 °C / 
Hoy: θ = 0,01 °C
(punto triple del agua) 
Evaporación del 
agua:
θ = 100 °C 
(presión normal)
Fusión de mezcla 
agua-sal:
θF = 0 °F -- θ = -17,8 °C
Evaporación del 
agua:
θF =212 °F / 
θ=100 °C
Astrónomo Anders Celsius (1701 – 1744) Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736)
Escalas en 100 partes iguales
1.7 Dimensiones y unidades
Dimensión
Fuerza
Presión*
Energía**
Potencia
Algunas unidades derivadas del Sistema Internacional de Unidades (SI)
Unidad
Newton
Pascal
Joule
Watt
Símbolo
N
Pa
J
W
Definición
1 N = 1 kg m s-2
1 Pa = 1 N m-2 = 1 kg m-1 s-2
1 J = 1 N m = 1 kg m2 s-2
1 W = 1 J s-1 = 1 kg m2 s-3
* 1 bar = 105 Pa = 105 N m-2 / 1 atm = 1,01325 bar
** Cantidad de calor: 1 cal = 4,18068 J
1.8 Resumen
• La termodinámica clásica o fenomenológica sigue un enfoque
macroscópico.
• Dentro de la termodinámica clásica, la termodinámica técnica estudia
el equilibrio térmico a través de las leyes generales que rigen la
transformación de la energía; las variaciones en las propiedades
termodinámicas de la materia y su aplicación en el análisis de
procesos y equipos técnicos.• Los procesos termodinámicos (cambios de estado de sistemas
termodinámicos) ocurren, principalmente, por medio de la
transferencia de energía en forma de calor y de trabajo.
• Las herramientas fundamentales para los análisis termodinámicos se
soportan en tres principios físicos fundamentales: la conservación de
la masa; la conservación de la energía y las limitaciones presentes
en sus procesos de transformación (disipación de la energía).
1.8 Resumen
• Las fuentes de energía y sus procesos de transformación son un
paso fundamental para el desarrollo económico y social y, al mismo
tiempo, generan grandes impactos ambientales. Por estas razones la
termodinámica es un campo de estudio fundamental para el
desarrollo sostenible.
• El origen de la termodinámica se ubica en las labores de explicación
del funcionamiento de las máquinas térmicas (del motor de vapor).
• La termodinámica técnica brinda un apoyo fundamental en las
labores de explicación y análisis pero…
¡no provee reglas o recetas de cocina para la invención!
Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica 
• ÇENGEL, Y. A.; BOLES, M. A.: Termodinámica. Ed. McGraw-Hill: 
Bogotá y otras, 2006.
Es un texto sencillo y extenso en sus explicaciones, que cubre todo 
el contenido del curso y puede seguirse para su desarrollo.
• JONES, J. B.; DUGAN, R. E.: Ingeniería Termodinámica. Ed. 
Prentice Hall.: México, D.F., 1997.
Se hace un buen manejo teórico y explica con detalle el 
planteamiento y la deducción de ecuaciones.
• MORAN, J. M.; SHAPIRO, H. N.: Fundamentos de termodinámica 
técnica (2. Edición en Español correspondiente a la 4. Edición 
Original). Ed. Reverté, S.A.: Barcelona, 2004.
Presenta un buen equilibrio entre teoría, ejemplos y ejercicios; cubre 
el contenido completo del curso; es una buena guía para el estudio 
autónomo.
Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica
• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.: Fundamentals of Classical 
Thermodynamics (SI Version). Ed. John Wiley & Sons: Singapore, 
3ra. edición, 1985. 
Cubre el contenido completo del curso y presenta una amplia 
variedad y equilibrio de ejemplos y ejercicios.
• VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C.: 
Fundamentos de Termodinámica. Ed. Limusa – Grupo Noriega 
Editores: México, D.F., 2004.
Corresponde a la evolución de “Fundamentals of Classical 
Thermodynamics”, con complementos en teoría y ejercicios.
• POTTER, M. C.; SOMERTON, C. W.: Termodinámica para 
Ingenieros (Traducción de Schaum´s outline of theory and problems 
of thermodynamics for engineers). McGraw-Hill: Madrid, 2004. ISBN 
84-481-4282-9
Se hace una presentación resumida de la teoría y se enfoca en 
ejemplos y problemas resueltos.
Bibliografía seleccionada de textos de termodinámica
• BAEHR, H.D.; KABELAC, S.: Thermodynamik. Grundlagen und 
technische Anwendungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New 
York, 2006.
• STEPHAN, P.; SCHABER, K.; STEPHAN, K; MAYINGER, F.: 
Thermodynamik. Grundlagen und technische Anwendungen Band 1: 
Einstoffsysteme. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, New York, 2006.
• LUCAS, K.: Thermodynamik. Die Grundgesetze der Energie- und 
Stoffumwandlungen. Ed. Springer: Berlin, Heidelberg, 1995.
Los textos de termodinámica técnica alemanes cubren el contenido 
completo del curso; presentan de manera detallada los fundamentos 
teóricos y hacen uso de ejemplos específicos y bien seleccionados; 
estos textos no hacen una presentación excesiva de ejercicios, pero 
los que se incluyen son bien estructurados.
¡Gracias por su atención!
Alexánder Gómez
agomezm@unal.edu.co
Twitter: @alexgomezmejia
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