CAPÍTULO 3: TERMODINÁMICA

ENERGIA
La energía se define como la capacidad que tiene un sistema para producir trabajo.
Tipos de energía almacenada: son aquellos que se encuentran dentro del sistema
1. Energía potencial: es debida a la posición que guarda un cuerpo sobre el nivel de referencia. Para elevar un
cuerpo o una masa de fluido en un campo gravitatorio es preciso realizar un trabajo contra las fuerzas del
campo, trabajo que queda almacenado en el cuerpo en forma de energía potencial.
o por unidad de masa (específica)
2. Energía cinética: es la energía que tiene un cuerpo en virtud de la velocidad respecto de un campo de
referencia en reposo.
3. Energía mecánica: Es la energía que se introduce a un sistema por medio de una bomba o que se extrae de
un sistema por medio de una turbina.
4. Energía de fricción: Representa la energía perdida debido a la fricción cuando un fluido pasa a través de las
diferentes partes de un sistema, como por ejemplo, a través de la tubería, de codos, de válvulas, etc.
5. Energía interna: Es una función de estado porque únicamente depende del estado en que se encuentre el
sistema sin depender del proceso mediante el cual el sistema ha llegado a ese estado. Está relacionada con los
constituyentes del sistema y es la suma de la energía cinética debido al movimiento de traslación de las
moléculas, la energía cinética debida a la rotación de las moléculas, la energía cinética debida a la vibración de
los átomos pertenecientes a la molécula y la energía potencial debida a las fuerzas intermoleculares.
6. Energía de presión (o de flujo): Es la parte de la energía interna de un cuerpo que puede realizar trabajo.
7. Energía química: Es la liberada o absorbida durante una reacción
química.
Tipos de energía de tránsito: el trabajo y el calor son las únicas
formas de energía que pueden atravesar la frontera sin que sea
necesaria la transferencia de masa
Figura 1. Energía que puede cruzar
la frontera
CALOR (Q): Es un mecanismo de intercambio de energía asociado al movimiento microscópico de los
constituyentes del sistema, o sea, la energía que se intercambia en forma de calor proviene de la energía cinética
de agitación molecular. Cuando dos sistemas se ponen en contacto térmico, las moléculas del que se encuentra a
temperatura más alta ceden parte de su energía cinética a las moléculas del otro a través de colisiones. Hay
transmisión de energía en forma de calor cuando la causa de esa transferencia es una diferencia de
temperaturas.
La convención de signos empleado para el calor es: un calor aportado al sistema es positivo y un calor cedido
por el sistema es negativo.
Un proceso adiabático es aquel en el que no hay transferencia de calor, lo
cual puede suceder ya sea porque el sistema esté completamente aislado, o
porque la temperatura de él y de los alrededores es la misma.
El calor se puede expresar por unidad de masa:
Figura 2. Sistema adiabático
o como velocidad (tasa) de transferencia de calor:
̇
Existen tres diferentes mecanismos de transferencia de calor:

Conducción: transferencia de calor que se produce a través de un medio
estacionario -que puede ser un sólido o un fluido- cuando existe un gradiente de
temperatura.

Convección: transferencia de calor que ocurrirá entre una superficie y un
fluido en movimiento cuando están a
diferentes temperaturas. La convección
puede ser natural o forzada,
dependiendo de si el movimiento del
fluido es ocasionado por las fuerzas de
flotación del fluido (debidas a la
variación de la densidad por la
temperatura) o si se emplea un aparato
para hacerlo fluir.
Figura 3. Conducción
Figura 4. Convección

Radiación: en ausencia de un medio, existe una
transferencia neta de calor por radiación entre dos superficies a
diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con
temperatura finita emiten energía en forma de ondas
electromagnéticas.
Figura 5. Radiación
Intercambiadores de calor: son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor
sin mezclarse físicamente.
Figura 6. Intercambiador de
tubos concéntricos
Figura 7. Intercambiador de doble
trayecto
TRABAJO (W): En la forma de energía que puede atravesar la frontera del sistema y no lo hace en virtud de
una diferencia de temperatura, en forma más específica: el trabajo es la transferencia de energía relacionada
con una fuerza que actúa a lo largo de una distancia. Un pistón ascendente, un eje rotatorio, un cable eléctrico,
una bomba o una turbina son elementos que están asociados a realizar trabajo.
El trabajo se puede expresar por unidad de masa:
y por unidad de tiempo se conoce como potencia ̇ :
̇
Por convención si el trabajo es hecho por el sistema es positivo y si es hecho sobre el sistema es negativo. El
trabajo y el calor son formas de energía que atraviesan la frontera del sistema y tienen características comunes:
1. Tanto el calor como el trabajo pueden ser reconocidos en las
fronteras de un sistema cuando las cruzan; es decir son
fenómenos de frontera.
2. Los sistemas poseen energía, pero el calor o el trabajo no.
3. Ambos se relacionan con un proceso, no con un estado. No son
propiedades que definan un estado.
4. Ambos son funciones de trayectoria, es decir, sus magnitudes
dependen de la trayectoria seguida durante el proceso, no
solamente de los estados finales.
Figura 8.Funciones de trayectoria
Algunos tipos de trabajo
Trabajo eléctrico: en un campo eléctrico, los electrones en un alambre se mueven por efecto de una diferencia
de potencial eléctrico, por lo tanto realizan trabajo.
Figura 9. Potencia eléctrica
Trabajo mecánico: una fuerza constante F sobre un cuerpo que se desplaza una distancia s en la dirección de la
fuerza, hace un trabajo W:
Figura 10. Trabajo mecánico
Hay dos requisitos para que se presente trabajo entre un sistema y sus alrededores:
1. debe haber una fuerza que actúe sobre los límites
2. éstos límites deben moverse
Existen varias formas de trabajo mecánico, a continuación se analizan algunas formas comunes

Trabajo de flecha: es la transmisión de energía que se
presenta mediante un eje rotatorio. El torque T aplicado al eje
puede ser constante, lo que significa que la fuerza F aplicada
lo es.
Figura 11. Trabajo de flecha
 Trabajo de resorte: la energía potencial elástica que puede almacenar un
resorte es proporcional a la magnitud de la deformación que se produce.
Figura 12. Elongación del resorte
ENERGIA INTERNA: como variables de estado para definir la energía que posee un sistema
en virtud de sus energías moleculares, atómicas y subatómicas, se suelen usar la temperatura y el
volumen específico:
̂
̂
El “cambio” en energía interna se puede expresar como:
̂
en donde Cv se conoce como capacidad calorífica (calor específico) a volumen constante.
En consecuencia para calcular un cambio en energía interna entre dos estados, se tiene:
∫
̂
̂
∫
̂
̂
∫
∫
Observe que sólo es posible calcular diferencias de energía interna, o calcular la energía interna
relativa a un estado de referencia, pero nunca valores absolutos de esta energía.
ENTALPÍA. La entalpía (H) se define como la combinación de dos variables que aparecen con
mucha frecuencia en el balance de energía:
̂ ̂
̂
donde P es la presión y ̂ es el volumen específico.
La entalpía se considera función de la temperatura y la presión:
̂
̂
para estimar cambios en la entalpía:
constante.
, con Cp capacidad calorífica a volumen
Integrando:
∫
̂
̂
∫
̂
̂
∫
∫
Como en el caso de la energía interna, la entalpía no tiene un valor absoluto; solamente se
pueden evaluar sus cambios.
Calores específicos: es la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de
masa de una sustancia.
Figura 11. Calores específicos a volumen y presión
constantes (para el He)