Termodinámica

Description

TERMODINÁMICA PÁGINA LEGAL CONTENIDO PREFACIO 1 INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1.1. TERMODINÁMICA Y ENERGÍA Áreas de aplicación de la termodinámica 1.2. IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNIDADES Algunas unidades SI e inglesas Homogeneidad dimensional Relaciones de conversión de unidades 1.3. SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOS 1.4. PROPIEDADES DE UN SISTEMA Continuo 1.5. DENSIDAD Y DENSIDAD RELATIVA 1.6. ESTADO Y EQUILIBRIO Postulado de estado 1.7. PROCESOS Y CICLOS Proceso de flujo estacionario 1.8. TEMPERATURA Y LEY CERO (...) Escalas de temperatura Escala de temperatura internacional (...) 1.9. PRESIÓN Variación de la presión con la profundidad 1.10. MANÓMETRO Otros dispositivos de medición de presión 1.11. BARÓMETRO Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA 1.12. TÉCNICA PARA RESOLVER PROBLEMAS Paso 1: enunciado del problema Paso 2: esquema Paso 3: suposiciones y aproximaciones Paso 4: leyes físicas Paso 5: propiedades Paso 6: cálculos Paso 7: razonamiento, comprobación y análisis Paquetes de software de ingeniería Programa para resolver ecuaciones de ingeniería (Engineering Equation Solver, EES) Observación acerca de los dígitos significativos 2 ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y ANÁLISIS GENERAL DE ENERGÍA 2.1. INTRODUCCIÓN 2.2. FORMAS DE ENERGÍA Más sobre energía nuclear Energía mecánica 2.3. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA (...) Antecedentes históricos sobre el calor 2.4. TRANSFERENCIA DE ENERGÍA (...) Trabajo eléctrico 2.5. FORMAS MECÁNICAS DEL TRABAJO Trabajo de flecha Trabajo de resorte Trabajo hecho sobre barras sólidas elásticas Trabajo relacionado con el estiramiento (...) Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo Formas no mecánicas del trabajo 2.6. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Balance de energía Cambio de energía de un sistema, (...) Mecanismos de transferencia (...) 2.7. EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓN (...) Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 2.8. ENERGÍA Y AMBIENTE Ozono y smog Lluvia ácida Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climático Tema de interés especial Resumen Referencia Problemas 3 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 3.1. SUSTANCIA PURA 3.2. FASES DE UNA SUSTANCIA PURA 3.3. PROCESOS DE CAMBIO DE FASE (...) Líquido comprimido y líquido saturado Vapor saturado y vapor sobrecalentado Temperatura de saturación y presión (...) Algunas consecuencias de la dependencia (...) 3.4. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA (...) 1 Diagrama T-v 2 Diagrama P-v Ampliación de los diagramas (...) 3 Diagrama P-T Superficie P-v-T 3.5. TABLAS DE PROPIEDADES Entalpía: una propiedad de combinación 1a Estados de líquido saturado y de vapor saturado 1b Mezcla saturada de líquido-vapor 2 Vapor sobrecalentado 3 Líquido comprimido Estado de referencia y valores de referencia 3.6. ECUACIÓN DE ESTADO (...) ¿El vapor de agua es un gas ideal? 3.7. FACTOR DE COMPRESIBILIDAD, UNA MEDIDA DE LA (...) 3.8. OTRAS ECUACIONES DE ESTADO Ecuación de estado de Van der Waals Ecuación de estado de Beattie-Bridgeman Ecuación de estado de Benedict-Webb-Rubin Ecuación de estado virial Presión de vapor y equilibrio de fases Resumen Referencias Problemas 4 ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS 4.1. TRABAJO DE FRONTERA MÓVIL Proceso politrópico 4.2. BALANCE DE ENERGÍA (...) 4.3. CALORES ESPECÍFICOS 4.4. ENERGÍA INTERNA, ENTALPÍA Y CALORES (...) Relaciones de calores específicos de gases ideales 4.5. ENERGÍA INTERNA, ENTALPÍA Y CALORES (...) Cambios de energía interna Cambios de entalpía Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos Resumen Referencias Problemas 5 ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) 5.1. CONSERVACIÓN DE LA MASA Flujos másico y volumétrico Principio de conservación de la masa Balance de masa para procesos de flujo estacionario Caso especial: flujo incompresible 5.2. TRABAJO DE FLUJO Y ENERGÍA (...) Energía total de un fluido en movimiento Energía transportada por la masa 5.3. ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS (...) 5.4. ALGUNOS DISPOSITIVOS DE INGENIERÍA (...) 1 Toberas aceleradoras y difusores 2 Turbinas y compresores 3 Válvulas de estrangulamiento 4a Cámaras de mezclado 4b Intercambiadores de calor 5 Flujo en tuberías y ductos 5.5. ANÁLISIS DE PROCESOS (...) Ecuación general de energía Resumen Referencias Problemas 6 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA 6.1. INTRODUCCIÓN A LA SEGUNDA LEY 6.2. DEPÓSITOS DE ENERGÍA TÉRMICA 6.3. MÁQUINAS TÉRMICAS Eficiencia térmica ¿Es posible ahorrar Qsalida? La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-Planck 6.4. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR Coeficiente de desempeño Bombas de calor La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius Equivalencia de los dos enunciados 6.5. MÁQUINAS DE MOVIMIENTO PERPETUO 6.6. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES Irreversibilidades Procesos interna y externamente reversibles 6.7. EL CICLO DE CARNOT Ciclo de Carnot inverso 6.8. PRINCIPIOS DE CARNOT 6.9. ESCALA TERMODINÁMICA DE TEMPERATURA 6.10. LA MÁQUINA TÉRMICA DE CARNOT Calidad de la energía Cantidad contra calidad en la vida diaria 6.11. EL REFRIGERADOR DE CARNOT (...) Refrigeradores domésticos Resumen Referencias Problemas 7 ENTROPÍA 7.1. ENTROPÍA Caso especial: procesos isotérmicos de transferencia de calor internamente reversibles 7.2. EL PRINCIPIO DEL INCREMENTO (...) Algunos comentarios sobre la entropía 7.3. CAMBIO DE ENTROPÍA DE SUSTANCIAS (...) 7.4. PROCESOS ISENTRÓPICOS 7.5. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (...) 7.6. ¿QUÉ ES LA ENTROPÍA? La entropía y la generación de entropía en la vida diaria 7.7. LAS RELACIONES T ds 7.8. CAMBIO DE ENTROPÍA DE LÍQUIDOS (...) 7.9. CAMBIO DE ENTROPÍA DE GASES IDEALES Calores específicos constantes (análisis aproximado) Calores específicos variables (análisis exacto) Proceso isentrópico de gases ideales Calores específicos constantes (análisis aproximado) Calores específicos variables (análisis exacto) Presión relativa y volumen específico relativo 7.10. TRABAJO REVERSIBLE DE FLUJO ESTACIONARIO Demostración que los dispositivos de flujo estacionario entregan el máximo trabajo (...) 7.11. MINIMIZACIÓN DEL TRABAJO DEL COMPRESOR Compresión en etapas múltiples con interenfriamiento 7.12. EFICIENCIAS ISENTRÓPICAS DE (...) Eficiencia isentrópica de turbinas Eficiencias isentrópicas de compresores y bombas Eficiencia isentrópica de toberas aceleradoras 7.13. BALANCE DE ENTROPÍA Cambio de entropía de un sistema, (...) Mecanismos de transferencia de entropía, (...) 1 Transferencia de calor 2 Flujo másico Generación de entropía, (...) Sistemas cerrados Volúmenes de control Generación de entropía asociada con un proceso de transferencia de calor Reducción del costo del aire comprimido RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 8 EXERGÍA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO 8.1. EXERGÍA: POTENCIAL DE TRABAJO (...) Exergía (potencial de trabajo) asociada con la energía cinética y potencial 8.2. TRABAJO REVERSIBLE (...) 8.3. EFICIENCIA SEGÚN LA SEGUNDA LEY, (...) 8.4. CAMBIO DE EXERGÍA DE UN SISTEMA Exergía de una masa fija: exergía (...) Exergía de una corriente de fluido: (...) 8.5. TRANSFERENCIA DE EXERGÍA POR CALOR, (...) Transferencia de exergía por calor, Q Transferencia de exergía por trabajo, W Transferencia de exergía por masa, m 8.6. PRINCIPIO DE DISMINUCIÓN DE EXERGÍA (...) Destrucción de exergía 8.7. BALANCE DE EXERGÍA: (...) 8.8. BALANCE DE EXERGÍA: VOLÚMENES DE CONTROL Balance de exergía para sistemas de flujo estacionario Trabajo reversible, Wrev Eficiencia según la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario, (...) TEMA DE INTERÉS ESPECIAL* RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 9 CICLOS DE POTENCIA DE GAS 9.1. CONSIDERACIONES BÁSICAS PARA EL (...) 9.2. EL CICLO DE CARNOT Y SU VALOR (...) 9.3. SUPOSICIONES DE AIRE ESTÁNDAR 9.4. BREVE PANORAMA DE LAS MÁQUINAS RECIPROCANTES 9.5. CICLO DE OTTO: EL CICLO IDEAL PARA LAS (...) 9.6. CICLO DIESEL: EL CICLO IDEAL (...) 9.7. CICLOS STIRLING Y ERICSSON 9.8. CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA (...) Desarrollo de las turbinas de gas Desviación de los ciclos reales de turbina de gas en comparación con los idealizados 9.9. CICLO BRAYTON CON REGENERACIÓN 9.10. CICLO BRAYTON CON INTERENFRIAMIENTO, (...) 9.11. CICLOS IDEALES DE PROPULSIÓN POR REACCIÓN Modificaciones para motores de turborreactor 9.12. ANÁLISIS DE CICLOS DE POTENCIA DE GAS CON BASE EN LA SEGUNDA LEY TEMA DE INTERÉS ESPECIAL* RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 10 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS 10.1. EL CICLO DE VAPOR DE CARNOT 10.2. CICLO RANKINE: EL CICLO IDEAL PARA (...) Análisis de energía del ciclo Rankine ideal 10.3. DESVIACIÓN DE LOS CICLOS (...) 10.4. CÓMO INCREMENTAR LA EFICIENCIA DEL CICLO RANKINE? Reducción de la presión del condensador (...) Sobrecalentamiento del vapor a altas (...) Incremento de la presión de la caldera (...) 10.5. EL CICLO RANKINE IDEAL (...) 10.6. EL CICLO RANKINE IDEAL REGENERATIVO Calentadores abiertos de agua de alimentación Calentadores cerrados de agua de alimentación 10.7. ANÁLISIS DE CICLOS DE POTENCIA DE (...) 10.8. COGENERACIÓN 10.9. CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS DE GAS Y VAPOR TEMA DE INTERÉS ESPECIAL* RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS 11 CICLOS DE REFRIGERACIÓN 11.1. REFRIGERADORES Y BOMBAS DE CALOR 11.2. EL CICLO INVERTIDO DE CARNOT 11.3. EL CICLO IDEAL DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR 11.4. CICLO REAL DE REFRIGERACIÓN (...) 11.5. SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE ADECUADO 11.6. SISTEMAS DE BOMBAS DE CALOR 11.7. SISTEMAS INNOVADORES DE REFRIGERACIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR Sistemas de refrigeración en cascada Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas Sistemas de refrigeración de propósito múltiple con un solo compresor Licuefacción de gases 11.8. CICLOS DE REFRIGERACIﾓN DE GAS 11.9. SISTEMAS DE REFRIGERACIﾓN POR ABSORCIﾓN TEMA DE INTERÉS ESPECIAL* RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 12 RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS 12.1. UN POCO DE MATEMﾁTICAS: DERIVADAS (...) Diferenciales parciales Relaciones de derivadas parciales 12.2. RELACIONES DE MAXWELL 12.3. LA ECUACIÓN DE CLAPEYRON 12.4. RELACIONES GENERALES PARA (...) Cambios en la energía interna Cambios de entalpía Cambios de entropía Calores específicos (...) 12.5. EL COEFICIENTE DE JOULE-THOMSON 12.6. LAS (...) Cambios en la entalpía de gases reales Cambios de energía interna de gases ideales Cambios de entropía de gases reales RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 13 MEZCLAS DE GASES 13.1. COMPOSICIÓN DE UNA MEZCLA DE GASES: (...) 13.2. COMPORTAMIENTO P-v-T DE MEZCLAS DE GASES: GASES IDEALES Y REALES Mezclas de gases ideales Mezclas de gases reales 13.3. PROPIEDADES DE MEZCLAS DE GASES: GASES IDEALES Y REALES Mezclas de gases ideales Mezclas de gases reales TEMA DE INTERÉS ESPECIAL* RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 14 MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE 14.1. AIRE SECO Y AIRE ATMOSFÉRICO 14.2. HUMEDAD ESPECÍFICA Y RELATIVA DEL AIRE 14.3. TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCÍO 14.4. TEMPERATURAS DE SATURACIÓN (...) 14.5. LA CARTA PSICROMÉTRICA 14.6. COMODIDAD HUMANA Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE 14.7. PROCESOS DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE Calentamiento y enfriamiento simples (...) Calentamiento con humidificación Enfriamiento con deshumidificación Enfriamiento evaporativo Mezclado adiabático de flujos de aire Torres de enfriamiento húmedo RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 15 REACCIONES QUÍMICAS 15.1. COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN 15.2. PROCESOS DE COMBUSTIÓN TEÓRICA Y REAL 15.3. ENTALPÍA DE FORMACIÓN Y ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN 15.4. ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS CON BASE EN LA PRIMERA LEY Sistemas de flujo estacionario Sistemas cerrados 15.5. TEMPERATURA DE FLAMA ADIABÁTICA 15.6. CAMBIO DE ENTROPÍA DE SISTEMAS REACTIVOS 15.7. ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS CON BASE EN LA SEGUNDA LEY TEMA DE INTERÉS ESPECIAL* RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 16 EQUILIBRIO QUÍMICO Y DE FASE 16.1. CRITERIO PARA EL EQUILIBRIO QUÍMICO 16.2. LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO PARA MEZCLAS DE GASES IDEALES 16.3. ALGUNAS OBSERVACIONES RESPECTO A LA KP DE LAS MEZCLAS DE GASES IDEALES 16.4. EQUILIBRIO QUÍMICO PARA REACCIONES SIMULTÁNEAS 16.5. VARIACIÓN DE KP CON LA TEMPERATURA 16.6. EQUILIBRIO DE FASE Equilibrio de fase para un sistema de un solo (...) La regla de fases Equilibrio de fases para un sistema multicomponente RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* 17 FLUJO COMPRESIBLE 17.1. PROPIEDADES DE ESTANCAMIENTO 17.2. VELOCIDAD DEL SONIDO Y NÚMERO (...) 17.3. FLUJO ISENTRÓPICO UNIDIMENSIONAL Variación de la velocidad del fluido (...) Relaciones de propiedades para el flujo isentrópico de gases ideales 17.4. FLUJO ISENTRÓPICO A TRAVÉS (...) Toberas aceleradoras convergentes Toberas convergentes-divergentes 17.5. ONDAS DE CHOQUE Y ONDAS DE EXPANSIÓN Choques normales Choques oblicuos Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 17.6. FLUJO EN UN DUCTO CON TRANSFERENCIA DE CALOR, DE FRICCIÓN INSIGNIFICANTE (...) Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh Flujo de Rayleigh bloqueado 17.7. TOBERAS DE VAPOR DE AGUA RESUMEN REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS PROBLEMAS* Apéndice 1 APÉNDICE 1 APÉNDICE 2 ÍNDICE ANALÍTICO