TERMODINAMICA

CAPÍTULO I Introducción y conceptos básicos 1 1-1 Termodinámica y energía 2 Áreas de aplicación de la termodinámica 3 1 -2 Importancia de las dimensiones y unidades 3 Algunas unidades SI e inglesas 6 Homogeneidad dimensional 8 Relaciones de conversión de unidades 9 1 -3 Sistemas y volúmenes de control 10 1 -4 Propiedades de un sistema 12 Continuo 12 1 -5 Densidad y densidad relativa 13 1 -6 Estado y equilibrio 14 Postulado de estado 14 1 -7 Procesos y ciclos 15 Proceso de flujo estacionario 16 1 -8 Temperatura y ley cero de la termodinámica 17 Escalas de temperatura 17 Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) 20 1 -9 Presión 21 Variación de la presión con la profundidad 23 1-10 Dispositivos para la medición de la presión 26 Barómetro 26 Manómetro 29 Otros dispositivos de medición de presión 32 1-11 Técnica para resolver problemas 33 Paso 1: enunciado del problema 34 Paso 2: esquema 34 Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34 Paso 4: leyes físicas 34 Paso 5: propiedades 34 Paso 6: cálculos 34 Paso 7: razonamiento, comprobacion y análisis 35 Paquetes de software de ingeniería 35 Programa para resolver ecuaciones de ingeniería (Engineering Equation Solver, EES) 36 Observación acerca de los dígitos significativos 38 Resumen 39 Referencias y lecturas recomendadas 40 Problemas 40 CAPÍTULO 2 Energía, transferencia de energía y análisis general de energía 51 2-1 Introducción 52 2-2 Formas de Energía 53 Algunas consideraciones físicas de la energía interna 55 Más sobre energía nuclear 56 Energía mecánica 58 2-3 Transferencia de energía por calor 60 Antecedentes históricos sobre el calor 61 2-4 Transferencia de energía por trabajo 62 Trabajo eléctrico 65 2-5 Formas mecánicas del trabajo 66 Trabajo de flecha 66 Trabajo de resorte 67 Trabajo hecho sobre barras solidas elásticas 67 Trabajo relacionado con el estiramiento de una película liquida 68 Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68 Formas no mecánicas del trabajo 69 2-6 La primera ley de la termodinámica 70 Balance de energía 71 Incremento de la energía de un sistema, AEsisterra 72 Mecanismos de transferencia de Energía, Eentrada y Esalida 73 2-7 Eficiencia en la conversión de energía 77 Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 81 2-8 Energía y ambiente 85 Ozono y esmog 86 Lluvia ácida 87 Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climático 88 Tema de interés especial: Mecanismos de transferencia de calor 91 Resumen 96 Referencias y lecturas recomendadas 96 Problemas 97 CAPÍTULO 3 Propiedades de las sustancias puras 109 3-1 Sustancia pura 110 3-2 Fases de una sustancia pura 110 3-3 Procesos de cambio de fase en sustancias puras 111 Líquido comprimido y líquido saturado 112 Vapor saturado y vapor sobrecalentado 112 Temperatura de saturación y presión de saturación 113 Algunas consecuencias de la dependencia de 7sat y Psat 115 3-4 Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase 116 1 Diagrama T-v 116 2 Diagrama P-v 118 3 Ampliación de los diagramas para incluir la fase sólida 119 Diagrama P-T 122 Superficie P-v-T 123 3-5 Tablas de propiedades 124 Entalpía: una propiedad de combinación 124 1a Estados de líquido saturado y de vapor saturado 125 1b Mezcla saturada de líquido-vapor 127 2 Vapor sobrecalentado 130 3 Líquido comprimido 131 Estado de referencia y valores de referencia 133 3-6 Ecuación de estado de gas ideal 135 ¿EI vapor de agua es un gas ideal? 137 3-7 Factor de compresibilidad, una medida de la desviación del comportamiento de gas ideal 137 3-8 Otras ecuaciones de estado 142 Ecuación de estado de Van der Waals 142 Ecuación de estado de Beattie-Bridgeman 143 Ecuación de estado de Benedict-Webb-Rubin 143 Ecuación de estado virial 143 Tema de interés especial: Presión de vapor y equilibrio de fases 147 Resumen 151 Referencias y lecturas recomendadas 152 Problemas 152 CAPÍTULO 4 Análisis de energía de sistemas cerrados 163 4-1 Trabajo de frontera móvil 164 Proceso politrópico 169 4-2 Balance de Energía para sistemas cerrados 171 4-3 Calores específicos 176 4-4 Energía interna, entalpía y calores especificos de gases ideales 178 Relaciones de calores específicos de gases ideales 180 4-5 Energía interna, entalpia y calores especificos de sólidos y líquidos 187 Cambios de Energía interna 187 Cambios de entalpia 187 Tema de interés especial: Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos 191 Resumen 198 Referencias y lecturas recomendadas 199 Problemas 199 CAPÍTULO 5 Análisis de masa y Energía de volúmenes de control 215 5-1 Conservación de la masa 216 Flujos másico y volumétrico 216 Principio de conservación de la masa 218 Balance de masa para procesos de flujo estacionario 219 Caso especial: flujo incompresible 220 5-2 Trabajo de flujo y Energía de un fluido en movimiento 222 Energía total de un fluido en movimiento 223 Energía transportada por la masa 224 5-3 Análisis de Energía de sistemas de flujo estacionario 226 5-4 Algunos dispositivos ingenieriles de flujo estacionario 229 1 Toberas y difusores 229 2 Turbinas y compresores 232 3 Válvulas de estrangulamiento 235 4 4a Cámaras de mezclado 236 4b intercambiadores de calor 238 5 Flujo en tuberías y ductos 240 5-5 Análisis de procesos de flujo no estacionario 242 Tema de interés especial: Ecuación general de Energía 247 Resumen 250 Referencias y lecturas recomendadas 251 Problemas 251 CAPÍTULO 6 La segunda ley de la termodinámica 275 6-1 Introducción a la segunda ley 276 6-2 Depósitos de energía térmica 277 6-3 Máquinas térmicas 278 Eficiencia térmica 279 ¿Es posible ahorrar Qsalida? 281 La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-Planck 283 6-4 Refrigeradores y bombas de calor 283 Coeficiente de desempeño 284 Bombas de calor 285 Desempeño de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor 286 La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius 288 Equivalencia de los dos enunciados 289 6-5 Máquinas de movimiento perpetuo 290 6-6 Procesos reversible e irreversible 292 Irreversibilidades 293 Procesos interna y externamente reversibles 294 6-7 El ciclo de Carnot 295 Ciclo de Carnot inverso 297 6-8 Principios de Carnot 297 6-9 Escala termodinámica de temperatura 299 6-10 La máquina térmica de Carnot 301 Calidad de la energía 303 Cantidad contra calidad en la vida diaria 303 6-11 El refrigerador de Carnot y la bomba de calor 304 Tema de interés especial: Refrigeradores domésticos 307 Resumen 311 Referencias y lecturas recomendadas 312 Problemas 312 CAPÍTULO 7 Entropía 329 7-1 Entropía 330 Caso especial: procesos isotérmicos de transferencia de calor internamente reversibles 332 7-2 El principio del incremento de entropía 333 Algunos comentarios sobre la entropía 335 7-3 Cambio de entropía de sustancias puras 337 7-4 Procesos isentrópicos 341 7-5 Diagramas de propiedades que involucran a la entropía 342 7-6 ¿Que es la entropía? 344 La entropía y la generación de entropía en la vida diaria 346 7-7 Las relación es T ds 348 7-9 Cambio de entropía de gases ideales 352 7-8 Cambio de entropía de líquidos y sólidos 349 7-9 Cambios de entropía de gases ideales 352 Calores especificos constantes (análisis aproximado) 353 Calores especificos variables (análisis exacto) 354 Procesos isentrópicos de gases ideales 356 Calores especificos constantes (análisis aproximado) 356 Calores especificos variables (análisis exacto) 357 Prisión relativa y volumen especifico relativo 357 7-10 Trabajo reversible de flujo estacionario 360 Demostración que los dispositivos de flujo estacionario entregan el máximo trabajo y consumen el mínimo cuando el proceso es reversible 363 7-11 Minimización del trabajo del compresor 364 Compresión en etapas múltiples con interenfriamiento 365 7-12 Eficiencias isentrópicas de dispositivos de flujo estacionario 368 Eficiencia isentrópica de turbinas 369 Eficiencias isentropicas de compresores y bombas 371 Eficiencia isentrópica de toberas 373 7-13 Balance de entropía 375 Cambio de entropía de un sistema, ASsistema 376 Mecanismos de transferencia de entropía, Sentrada y Ssalida 376 1 Transferencia de calor 376 2 Flujo másico 377 Generación de entropía, Sgen 378 Sistemas cerrados 379 Volúmenes de control 379 Generación de entropía asociada con un proceso de transferencia de calor 386 Tema de interés especial: Reducción del costo del aire comprimido 388 Resumen 398 Referencias y lecturas recomendadas 399 Problemas 400 CAPÍTULO 8 Energía: una medida del potencial de trabajo 423 8-1 Exergía: potencial de trabajo de la Energía 424 Exergía (potencial de trabajo) asociada con la Energía cinética y potencial 425 8-2 Trabajo reversible e irreversibilidad 427 8-3 Eficiencia según la segunda ley, nII 432 8-4 Cambio de exergía de un sistema 435 Exergía de una masa fija: exergía sin flujo (o de sistema cerrado) 435 Exergía de una corriente de flujo: exergía de flujo (o corriente) 438 8-5 Transferencia de exergía por calor, trabajo y masa 441 Transferencia de exergía por calor, Q 441 Transferencia de exergía por trabajo, W 442 Transferencia de exergía por masa, m 443 8-6 Principio de disminución de exergía y destrucción de exergía 443 Destrucción de exergía 444 8-7 Balance de exergía: sistemas cerrados 445 8-8 Balance de exergía: volúmenes de control 456 Balance de exergía para sistemas de flujo estacionario 457 Trabajo reversible, Wrev 458 Eficiencia según la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario, nII 458 Tema de interés especial: Aspectos cotidianos de la segunda ley 464 Resumen 469 Referencias y lecturas recomendadas 470 Problemas 470 CAPÍTULO 9 Ciclos de potencia de gas 487 9-1 Consideraciones básicas para el análisis de los ciclos de potencia 488 9-2 El ciclo de Carnot y su valor en ingeniería 490 9-3 Suposiciones de aire estándar 492 9-4 Breve panorama de las maquinas reciprocantes 493 9-5 Ciclo de Otto: el ciclo ideal para las máquinas de encendido por chispa 494 9-6 Ciclo Diesel: el ciclo ideal para las máquinas de encendido por compresión 501 9-7 Ciclos Stirling y Ericsson 504 9-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motores de turbina de gas 508 Desarrollo de las turbinas de gas 511 Desviación de los ciclos reales de turbina de gas en comparación con los idealizados 514 9-9 Ciclo Brayton con regeneración 516 9-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración 518 9-11 Ciclos ideales de propulsión por reacción 522 Modificaciones para motores de turborreactor 526 9-12 Análisis de ciclos de potencia de gas con base en la segunda ley 528 Tema de interes especial: Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez 531 Resumen 538 Referencias y lecturas recomendadas 540 Problemas 540 CAPÍTULO 10 Ciclos de potencia de vapor y combinados 555 10-1 El ciclo de vapor de Carnot 556 10-2 Ciclo Rankine: el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor 557 Análisis de energía del ciclo Rankine ideal 558 10-3 Desviación de los ciclos de potencia de vapor reales respecto de los idealizados 561 10-4 Como incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 564 Reducción de la presión del condensador (reducción de Tbaja,prom) 564 Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de Talta,prom) 565 Incremento de la presión de la caldera (incremento de Talta,prom]9 565 10-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 568 10-6 El ciclo Rankine ideal regenerativo 572 Calentadores abiertos de agua de alimentación 572 Calentadores cerrados de agua de alimentación 574 10-7 Análisis de ciclos de potencia de vapor con base en la segunda ley 580 10-8 Cogeneración 583 10-9 Ciclos de potencia combinados de gas y vapor 587 Tema de interes especial: Ciclos binarios de vapor 590 Resumen 593 Referencias y lecturas recomendadas 593 Problemas 594 CAPÍTULO 11 Ciclos de refrigeración 609 11-1 Refrigeradores y bombas de calor 610 11-2 El ciclo invertido de Carnot 611 11-3 El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor 612 11 -4 Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor 616 11 -5 Análisis de la segunda ley del ciclo de refrigeración por compresión de vapor 618 11-6 Selección del refrigerante adecuado 623 11-7 Sistemas de bombas de calor 625 11 -8 Sistemas innovadores de refrigeración por compresión de vapor 627 Sistemas de refrigeración en cascada 627 Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas 630 Sistemas de refrigeración 632 Licuefacción de gases 633 11-9 Ciclos de gas 635 11-10 Sistemas de refrigeración por absorción 638 Tema de interés especial: Sistemas termoeléctricos de generación de potencia y de refrigeración 641 Resumen 643 Referencias y lecturas recomendadas 644 Problemas 644 CAPÍTULO 12 Relaciones de propiedades termodinámicas 659 12-1 Un poco de matemáticas: derivadas parciales y relaciones asociadas 660 Diferenciales parciales 661 Relaciones de derivadas parciales 663 12-2 Relaciones de Maxwell 664 12-3 La ecuación de Clapeyron 666 12-4 Relaciones generales para du, dh, ds, cv y cp 669 Cambios en la energía interna 669 Cambios de entalpía 670 Cambios de entropía 671 Calores especificos cv y cp 672 12-5 El coeficiente de Joule-Thomson 676 12-6 Las Ah, Au y As de gases reales 677 Cambios en la entalpia de gases reales 678 Cambios de Energía interna de gases ideales 679 Cambios de entropía de gases reales 679 Resumen 682 Referencias y lecturas recomendadas 683 Problemas 683 CAPÍTULO 13 Mezcla de gases 691 13-1 Composición de una mezcla de gases: fracciones molares y de masa 692 13-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 694 Mezclas de gases ideales 695 Mezclas de gases reales 695 13-3 Propiedades de mezclas de gases: gases ideales y reales 699 Mezclas de gases ideales 700 Mezclas de gases reales 703 Tema de interés especial: Potencial químico y el trabajo de separación de mezclas 707 Resumen 718 Referencias y lecturas recomendadas 719 Problemas 719 CAPÍTULO 14 Mezclas de gas-vapor y acondicionamiento de aire 727 14-1 Aire seco y aire atmosférico 728 14-2 Humedad específica y relativa del aire 729 14-2 Temperatura de punto de rocío 731 14-3 Temperatura de punto de rocío 731 14-4 Temperaturas de saturacion adiabática y de bulbo húmedo 733 14-5 La carta psicrométrica 736 14-6 Comodidad humana y acondicionamiento de aire 737 14-7 Procesos de acondicionamiento de aire 739 Calentamiento y enfriamiento simples (w = constante) 740 Calentamiento con humidificación 741 Enfriamiento con deshumidificación 742 Enfriamiento evaporativo 744 Mezclado adiabático de flujos de aire 745 Torres de enfriamiento húmedo 747 Resumen 749 Referencias y lecturas recomendadas 751 Problemas 751 CAPÍTULO 15 Reacciones químicas 761 15-1 Combustibles y combustión 762 15-2 Procesos de combustión teórica y real 766 15-3 Entalpia de formación y entalpia de combustión 772 15-4 Análisis de sistemas reactivos con base en la primera ley 775 Sistemas de flujo estacionario 776 Sistemas cerrados 777 15-5 Temperatura de flama adiabática 780 15-6 Cambio de entropía de sistemas reactivos 783 15-7 Análisis de sistemas reactivos con base en la segunda ley 785 Tema de interes especial: Celdas de combustible 790 Resumen 792 Referencias y lecturas recomendadas 793 Problemas 793 CAPÍTULO I 6 Equilibrio químico y de fase 805 16-1 Criterio para el equilibrio químico 806 16-2 La constante de equilibrio para mezclas de gases ideales 808 16-3 Algunas observaciones respecto a la Kp de las mezclas de gases ideales 812 16-4 Equilibrio químico para reacciones simultáneas 816 16-5 Variación de Kp con la temperatura 818 16-6 Equilibrio de fase 820 Equilibrio de fase para un sistema de un solo componente 820 La regia de fases 821 Equilibrio de fases para un sistema multicomponente 822 Resumen 827 Referencias y lecturas recomendadas 828 Problemas 829 CAPÍTULO 17 Flujo compresible 837 17-1 Propiedades de estancamiento 838 17-2 Velocidad del sonido y número de Mach 841 17-3 Flujo isentrópico unidimensional 843 Variación de la velocidad del fluido con el área de flujo 846 Relaciones de propiedades para el flujo isentrópico de gases ideales 848 17-4 Flujo isentrópico a través de toberas aceleradoras 850 Toberas convergentes 850 Toberas convergentes-divergentes 855 17-5 Ondas de choque y ondas de expansión 859 Choques normales 859 Choques oblicuos 866 Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 870 17-6 Flujo en un ducto con transferencia de calor, de fricción insignificante (flujo de Rayleigh) 874 Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh 880 Flujo de Rayleigh ahogado 881 17-7 Toberas de vapor de agua 883 Resumen 886 Referencias y lecturas recomendadas 887 Problemas 888 CAPÍTULO 18 (CAPÍTULO EN WEB) disponible en www.mhhe.com/cengel/termo8e Energía renovable 18-1 Introducción 18-2 Energía solar Radiación solar Captador solar de placa plana Captador solar concentrador Captador de Energía solar concentrador lineal Centrales solares de torre Estanque solar
Celdas fotovoltaicas Aplicaciones solares pasivas Ganancia de calor solar a través de las ventanas 18-3 Energía eólica Tipos de turbinas eólicas y curva de rendimiento energético Potencial de Energía eólica Densidad de Energía eólica Eficiencia de turbina eólica Límite de Betz para la eficiencia de turbina eólica 18-4 Energía hidráulica Análisis de una planta de Energía hidroeléctrica Tipos de turbinas 18-5 Energía geotérmica Producción de Energía geotérmica 18-6 Energía de biomasa Recursos de biomasa Conversión de la biomasa en biocombustible Productos de biomasa Producción de electricidad y calor por medio de biomasa Deshechos solidos municipales Resumen Referencias y lecturas sugeridas Problemas