Termodinámica: Igualdad de Temperatura, Ley Cero y Equilibrio Térmico

TERMODINÁMICA
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
Elaborado por:
Br. Jubelkys Guadalupe Morales Tinoco.
Br. Adriana Lucía Navarro Molina.
Br. Ana Francis Sandoval Hernández.
Br. Eddy Moisés Cardoza Orozco.
Br. Badner Alessandro Mendiola.
Tutor César Espinoza.
IGUALDAD DE TEMPERATURA, LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA, EQUILIBRIO TÉRMICO
14 de agosto 2025 – 3SIIND
SUSTANCIA PURA INCOMPRESIBLE SIMPLE
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La termodinámica es tanto una rama de la
INTRODUCCIÓN
física como una ciencia de la ingeniería. El
físico normalmente está interesado en
obtener una comprensión fundamental del
Termodinámica es la ciencia que se
ocupa de la producción, almacenamiento, transferencia y
conversión de energía. Estudia los efectos del trabajo, el
comportamiento
físico
y
químico
de
cantidades fijas de materia en reposo y
utiliza las leyes de la termodinámica para
relacionar las propiedades de la materia.
calor y la energía en un sistema. Analiza, por lo tanto, los
Los
efectos
las
interesados en estudiar los sistemas de
modificaciones de temperatura, presión, densidad, masa y
energía y cómo interactúan con su entorno.
volumen en cada sistema.
Para facilitar esto, los ingenieros extienden
que
poseen
a
nivel
macroscópico
ingenieros
están
generalmente
el tema de la termodinámica al estudio de los
sistemas abiertos, en los que el calor, el
trabajo y la masa pueden dirigirse hacia o
desde el volumen de control.
Nuestro objetivo en el presente trabajo será
introducir la termodinámica como la ciencia
Termodinámica
se
basa
de conversión de energía, introducir los
conceptos de igualdad de temperatura, ley
principalmente en un conjunto de cuatro leyes que
cero y equilibrio térmico que se utilizan en
son universalmente válidas cuando se aplican a
el estudio de la termodinámica de ingeniería.
sistemas que caen dentro de las restricciones
implicadas por cada uno, estas describen cómo la
energía se transforma y se transfiere entre diferentes
formas, así como las propiedades de los sistemas en
equilibrio termodinámico.
Estos
conceptos
y
definiciones
fundamentales se aplicarán aún más a los
sistemas de energía y finalmente a las
centrales térmicas o nucleares.
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Por otro lado, la temperatura termodinámica es
aquella que se mide en la escala absoluta de
Kelvin (K) y está relacionada con el cero
absoluto, que es -273,15 grados Celsius. En esta
escala, el cero absoluto representa la ausencia
total de movimiento de las partículas, es decir, la
mínima energía térmica posible.
DESARROLLO
2.1.
La
IGUALDAD
DE
TEMPERATURA,
LEY
CERO
DE
LA
igualdad
de
temperatura es un concepto
fundamental en termodinámica que se refiere a la
condición en la que dos o más sistemas, cuerpos
o sustancias alcanzan el mismo valor de
temperatura medible (en escalas como Celsius,
Kelvin o Fahrenheit).
TERMODINÁMICA,
Esta condición es una propiedad intensiva que no
depende de la cantidad de materia del sistema,
EQUILIBRIO TÉRMICO
sino del estado energético de sus partículas
constituyentes. Cuando dos cuerpos alcanzan
igualdad de temperatura, sus moléculas tienen, en
Para desarrollar los conceptos asignados, primero vamos
promedio, la misma energía cinética, aunque esto
a definir ¿qué es temperatura?
no implica necesariamente que hayan cesado
La temperatura es una propiedad intrínseca de la
todos los intercambios energéticos entre ellos.
materia que mide el grado de agitación térmica
(energía cinética promedio) de las partículas que
componen un cuerpo. Esta agitación se manifiesta
en fenómenos como la dilatación y los cambios de
estado. La temperatura no es relativa, es una medida
objetiva.
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La relación entre igualdad de temperatura y equilibrio
La igualdad de temperatura puede darse tanto
en
sistemas
aislados
como
en
sistemas
interactuantes, siendo esta característica lo que la
diferencia esencialmente del equilibrio térmico.
Mientras que el equilibrio requiere que no exista
flujo neto de energía entre los sistemas, la simple
igualdad de temperatura puede mantenerse
incluso cuando hay transferencia de calor,
siempre que los mecanismos de entrada y salida
de energía se compensen exactamente. Este es el
térmico queda establecida por la Ley Cero de la
Termodinámica, que postula que la igualdad de
temperatura es condición necesaria pero no suficiente para
el equilibrio.
Esta ley, que precede en importancia incluso a las otras
leyes de la termodinámica, proporciona la base teórica
para la medición fiable de temperaturas y justifica el uso
de termómetros como sistemas de referencia para
comparaciones térmicas entre cuerpos que no están en
contacto directo.
caso, por ejemplo, de un material conductor que
recibe calor por un extremo y lo disipa por el otro
a la misma tasa, manteniendo una temperatura
uniforme pero sin alcanzar verdadero equilibrio.
A nivel microscópico, la temperatura está ligada
a la energía cinética promedio de las partículas
(átomos o moléculas) que componen un sistema.
Cuando dos sistemas logran igualdad de
temperatura, sus partículas tienen la misma
energía
cinética
promedio,
aunque
individualmente puedan variar. Esto se explica
mediante la física estadística, donde el equilibrio
La
Ley cero de la termodinámica es un
principio fundamental en la ingeniería mecánica, ya que
establece las bases para el análisis de sistemas térmicos y
la medición de la temperatura. Este enunciado define el
equilibrio térmico y permite desarrollar escalas
termométricas con aplicabilidad en el diseño y control de
procesos térmicos.
térmico surge cuando las colisiones entre
partículas
homogenizan
esta
energía.
Sin
embargo, la igualdad de temperatura no siempre
refleja un estado de equilibrio, ya que factores
externos (como fuentes de calor o trabajo) pueden
mantenerla
sin
que
cese
el
intercambio
energético.
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La
Ley cero de la
El equilibrio térmico implica la ausencia de flujo neto
de calor entre los cuerpos en contacto. Dado que el
termodinámica establece que,
calor es la transferencia de energía térmica debido a
si un cuerpo A se encuentra a la misma
la temperatura es una propiedad intensiva del
temperatura que un cuerpo B y este tiene la
sistema, independiente de su tamaño o cantidad de
misma temperatura que un tercer cuerpo C,
materia presente, lo que facilita la estandarización de
entonces, el cuerpo A tendrá la misma
mediciones termodinámicas.
temperatura que el cuerpo C. Por lo cual
La Ley Cero de la Termodinámica es un pilar
estaremos seguros de que tanto el cuerpo A, como
fundamental que permite el análisis y control de
el B y C, estarán los tres, en equilibrio térmico. Es
procesos térmicos. Su aplicación se extiende
decir: los cuerpos A, B y C, tendrán igual
desde la calibración de instrumentos de
temperatura.
medición hasta el diseño de sistemas energéticos
una diferencia de temperatura, la ley cero implica que
complejos. Sin esta ley, la caracterización de la
temperatura carecería de una base teórica sólida,
lo que comprometería el desarrollo de la
termodinámica aplicada en múltiples campos de
la ingeniería.
La ley cero de la termodinámica puede
expresarse como:
si
A = C y B = C,
Esta propiedad transitiva permite la medición efectiva de
la temperatura, asegurando que cualquier sistema en
entonces
A = B.
contacto térmico con otro alcance un estado de equilibrio
en ausencia de influencias externas.
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Este hecho constituye el Principio cero de la
Termodinámica.
1. Dos sistemas aislados A y B, puestos en
contacto térmico prolongado, alcanzan el
equilibrio térmico.
2. Si dos sistemas A y B están separadamente
en equilibrio con un tercer sistema C,
también estarán en equilibrio térmico entre
sí (Propiedad transitiva).
Esta ley, también conocida como Principio del
Si tenemos dos objetos en contacto, uno más
Equilibrio Térmico, fue propuesta formalmente en
caliente que otro, a medida que el tiempo
1931 por los físicos Ralph H. Fowler y
transcurra ambos tenderán a alcanzar la misma
Guggenheim, aunque su base conceptual ya había
temperatura y, si no hay transferencia de calor
sido intuida por científicos anteriores como James
hacia otros objetos, en adelante mantendrán un
Clerk Maxwell en el siglo XIX.
equilibrio térmico, o sea, una temperatura
constante, que es la premisa de la ley cero de la
termodinámica.
El
estado de equilibrio
equilibrio
de un sistema depende de la proximidad de
térmico al estado en que dos cuerpos
superficie que los separa. Al poner en contacto
En
física,
se
llama
en contacto, o separados por una superficie
conductora,
igualan
sus
temperaturas
inicialmente dispares, debido a la transferencia
de calor de uno hacia el otro.
otros sistemas y de la naturaleza de la
un sistema con otros en distintos estados que
estén separados de éste por paredes móviles
diatérmicas, experimentan una modificación
de sus respectivos estados hasta alcanzar un
nuevo estado de equilibrio.
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Si las paredes, en vez de ser móviles y diatérmicas,
son rígidas y adiabáticas, los sistemas no
modificarán su estado. En general, un sistema fuera
del equilibrio, sometido a condiciones exteriores
constantes, alcanza finalmente un estado de
equilibrio.
A
este
Consideremos ahora el caso de tres sistemas, A,
B y C, separados por una pared adiabática del
exterior (figura de referencia). Los sistemas A y B
están separados entre sí por una pared adiabática,
mientras que tanto los sistemas B y C como los A
hecho
se
le
conoce
como
Postulado de existencia
del
equilibrio
termodinámico.
y C están separados entre sí por sendas paredes
diatérmicas. La experiencia muestra que, si A y B
están aislados térmicamente entre sí, y a su vez cada
uno de ellos está en equilibrio térmico por separado
con un tercer cuerpo C, ambos cuerpos, A y B
están en
En particular, si tenemos dos sistemas, A y B,
(figura de referencia) en contacto prolongado a
equilibrio térmico
mutuo.
través de una pared diatérmica (Se dice que dos
sistemas en contacto a través de una pared
diatérmica están en contacto térmico), sus variables
termodinámicas se modifican hasta que, cuando la
evolución se ha detenido, A y B alcanzan el
equilibrio térmico mutuo.
Este
fenómeno
microscópicamente,
puede
explicarse
comprendiendo
que
la
temperatura de los objetos está directamente
relacionada con la energía cinética promedio de
sus partículas, sean átomos, moléculas, o los que
convenga considerar. Este promedio es lo que
comúnmente se llama en física «energía interna»,
por lo que a mayor energía cinética mayor energía
interna y mayor temperatura del sistema.
Figura de referencia
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Dos cuerpos en contacto intercambian energía a
medida que el tiempo transcurre. Y así, el punto
de equilibrio térmico se alcanza
cuando la energía cinética de ambos
Sustancia pura es aquella que
cuerpos se iguala, de manera que ambos
tiene una composición o estructura molecular
cuerpos
químicamente homogénea y estable, por lo cual no
pasan
a
operar
como
un
sistema
termodinámico único, dotado de una misma
hay
reacciones
químicas
que
alteren
su
cantidad de energía interna y, por ende, de
comportamiento físico. Básicamente, es cuando una
temperatura.
sustancia se presenta en una sola fase y está
compuesta de un solo tipo de molécula.
2.2. DEFINICIÓN DE
UNA SUSTANCIA PURA
Sustancia simple es aquella que
tiene una forma relevante de efectuar trabajo
potencialmente reversible. Hay sustancias simples:
INCOMPRESIBLE
SIMPLE
eléctrica;
magnética,
de
tensión
superficial;
compresible; etc
Sustancia
incompresible, en el modelo de
una sustancia incompresible el volumen de una
cantidad de sustancia no se puede comprimir ni
expandir, por lo tanto, su volumen específico es
constante.
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La pureza implica que todas las propiedades
Sustancia
pura
termodinámicas (como temperatura, presión y
energía interna) son uniformes y reproducibles bajo
incompresible simple
las mismas condiciones.
es un modelo termodinámico idealizado utilizado
para simplificar el análisis de sistemas donde los
efectos de compresibilidad son despreciables.
Este concepto es clave en ingeniería térmica y
mecánica, especialmente en el estudio de líquidos y
sólidos bajo condiciones específicas.
Decimos que el concepto de sustancia pura
Incompresibilidad
en
incompresible simple es una idealización porque
ningún
material
real
es
estrictamente
incompresible, pero bajo ciertas condiciones, los
termodinámica.
efectos de compresibilidad son tan pequeños que
pueden ignorarse sin perder precisión significativa
La incompresibilidad es una aproximación que
en los cálculos.
asume que el volumen específico (𝒗) y la
Características de una
densidad (𝝆) de la sustancia permanecen
constantes, independientemente de los cambios en
presión o temperatura.
sustancia pura
Esto significa que el trabajo de compresión o
expansión
𝑷 𝒅(𝒗)
se
considera
nulo,
Para que una sustancia se considere pura, debe estar
simplificando las ecuaciones energéticas. En la
compuesta exclusivamente por un único tipo de
práctica, los líquidos como el agua a presiones
molécula o elemento químico, sin mezclas ni
moderadas y los sólidos rígidos se comportan de
impurezas. Puede existir en una sola fase (sólido,
manera cercana a la incompresibilidad, aunque en
líquido o gas) o en equilibrio entre fases, como el
realidad todos los materiales tienen cierto grado de
agua líquida en coexistencia con su vapor.
compresibilidad.
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Simplicidad
en
Por lo tanto, la única contribución
a la
energía interna de una sustancia
termodinámica.
incompresible proviene de la energía
cinética
El término simple indica que el estado de la
sustancia puede describirse completamente con solo
dos propiedades independientes, según el postulado
atómica
cuantificada
y
molecular,
mediante
la
temperatura. De ello se deduce que, al igual
que en el modelo de gas ideal, la energía interna de
de estado.
una sustancia incompresible es función únicamente
Por ejemplo, si se conocen la temperatura (T) y la
presión (P), todas las demás propiedades (como
de la temperatura.
Expresado de la siguiente manera:
energía interna, entalpía o entropía) quedan
determinadas.
Esta
simplicidad
𝒖 = 𝒖 (𝑻)
evita
complicaciones como histéresis, anisotropía o
dependencia del tiempo, comunes en materiales
Para una sustancia incompresible simple, la energía
reales más complejos.
interna (u) depende únicamente de la temperatura,
ya que no hay trabajo de expansión.
Energía
interna
en
Así pues, el calor específico de volumen constante
(𝒄𝒗 ) en un fluido incompresible se expresa como:
sustancias
𝒅𝒖
= 𝒄𝒗
𝒅𝑻
incompresibles
En este modelo, los calores específicos a presión
Dado que el volumen específico no cambia, la
constante (𝒄𝒑 ) y volumen constante (𝒄𝒗 ) son
energía
iguales (𝒄𝒑 = 𝒄𝒗 ) , porque no hay cambio de
potencial
intermolecular
promedio,
derivada de la distancia promedio entre moléculas,
tampoco cambia.
volumen durante los procesos. Esto contrasta con
los gases, donde 𝒄𝒑
> 𝒄𝒗 debido al trabajo de
expansión.
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CONCLUSIÓN
Igualdad de temperatura es una condición
necesaria pero no suficiente para el equilibrio
térmico, pues solo indica que dos sistemas tienen la
misma magnitud de temperatura en un instante dado,
sin garantizar que no exista flujo neto de energía.
La
ley cero de la termodinámica
establece el principio de transitividad del equilibrio
térmico, permitiendo definir la temperatura como
En este trabajo se ha analizado la relación
una propiedad universal y medible. Esta ley justifica
fundamental entre igualdad de temperatura,
el uso de termómetros como sistemas de referencia
Ley cero de la termodinámica y equilibrio
para comparar temperaturas entre cuerpos que no
térmico, así como el modelo de sustancia
están en contacto directo, consolidando las bases de
pura incompresible simple, destacando su
la termometría.
importancia en la termodinámica clásica y sus
El equilibrio térmico es un estado dinámico
aplicaciones en ingeniería.
en el que dos o más sistemas, además de tener igual
temperatura, no intercambian calor neto. Este
concepto es crucial para entender procesos como la
transferencia de energía en sistemas cerrados y
abiertos.
La
sustancia
pura
incompresible
simple es una idealización termodinámica que
simplifica el análisis de líquidos y sólidos en
condiciones
PALABRAS
CLAVES:
Termodinámica,
temperatura, igualdad de temperatura, ley
cero de la termodinámica, equilibrio térmico,
sustancia pura incomprensible simple.
donde
la
compresibilidad
es
despreciable. Este modelo permite estudiar sistemas
con
propiedades
constantes
(como
volumen
específico y densidad), facilitando cálculos en
ingeniería térmica y mecánica de fluidos, aunque con
limitaciones en escenarios de alta presión o cambios
de fase.
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BIBLIOGRAFÍA
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