Capítulo 1 - bib.ufro.cl · ¿El vapor de agua es un gas ideal? 139 ... Trabajo de flujo y...
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4
~
Prefacjo xxi
Capítulo1INTRODUCCiÓNY CONCEPTOSBÁSICOSI 1
-<1
II
~r
,.
~ t
lO
"
1-1 Termodinámicay energía 2Áreasde aplicaciónde la termodinámica 3
Importancia de las dimensionesy unidades 3Algunas unidades SI e inglesas 6Homogeneidad dimensional 8Relaciones de conversión de unidades 9
Sistemas cerrados y abiertos 10
Propiedades de un sistema 12Continuo12
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6Densidad y densidad relativa
Estado y equilibrio 14Postuladode estado 14
Procesos y ciclos 15Proceso de flujo estacionario 16
13
1-7
1-8 Temperatura y ley cerode la termodinámica 17Escalas de temperatura 17Escala de temperatura internacional de 1990
(1TS-90) 20
Presión 21Variación de la presión con la profundidad 23
1-9
1-10 Manómetro 26Otros dispositivos de medición de presión 29
Barómetro y presión atmosféríca 29
Técnica para resolver problemas 33Paso 1: enunciado del problema 33
Paso 2: esquema 33Paso 3: suposiciones yaproximaciones 34
Paso 4: leyes físicas 34Paso 5: propiedades 34Paso 6: cálculos 34
Paso 7: razonamiento, comprobación yanálisis 34Paquetes de software de ingeniería 35Programa para resolver ecuaciones de Ingeniería
(Engineering Equation So/ver, EES) 36Observación acerca de los dígitos
significativos 38
1-11
1-12
Resumen 39Referenciasy lecturasrecomendadas 39Problemas 40
Capftulo2 .
ENERGíA,TRANSFERENCIADEENERGíAYANÁLISISGENERALDEENERGíAI 51
2-1
2-2
Introducción 52
Formas de energía 53AlgunasconsideracioQesfísicasen relación
con la energíainterna 55Mássobreenergíanuclear 56Energíamecánica 58
Transferencia de energía por calor 60Antecedenteshistóricos sobre el calor 61
2-3
2-4 Transferencia de energía por trabajoTrabajoeléctrico 65
Formas mecánicas del trabajo 66Trabajo de flecha 66Trabajode resorte 67 ~
Trabajo hecho sobre barras sólidas elásticas 67Trabajo relacionado con el estiramiento
de una película líquida 68Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68Formas no mecánicas del trabajo 69
62
2-5
2-6 La primera ley de la termodinámica 70Balance de energía 71Cambio de energía de un sistema, ~Esistema 72Mecanismos de transferencia, de energía,
EentradaY Esalida 73
2-7 Eficiencia en la conversión de energía 78Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 82
Energía y ambiente 86Ozonoy smog 87Lluviaácida 88Efectoinvernadero:calentamientoglobal
y cambioclimático 89
Temade interésespecial.Mecanismosdetransferenciade calor 92
2-8
Resumen 96Referenciasy lecturasrecomendadas 97Problemas 98
xiii
4-1
4-2
xiv Contenido
Capftulo3PROPIEDADESDELASSUSTANCIASPURASI 111
3-1
3-2
3-3
Sustancia pura 112
Fases de una sustancia pura 112
Procesos de cambio de fase
en sustancias puras 113Líquidocomprimido y líquidosaturado 114Vaporsaturadoy vaporsobrecalentado 114Temperaturade saturacióny presiónde saturación 115Algunasconsecuenciasde la dependencia
de TsatY Psal 117
Diagramas de propiedades paraprocesos de cambio de fase 1181 DiagramaT-v 1182 DiagramaP-v 120Ampliación de losdiagramaspara incluir la fase
sólida 1213 DiagramaP-T 124SuperficieP-v-T 125
Tablas de propiedades 126Entalpía:una propiedadde combinación 126la Estadosde líquidosaturado
y de vapor saturado 127lb Mezclasaturadade líquido-vapor 1292 Vaporsobrecalentado 1323 Líquidocomprimido 133Estadode referenciay valoresde referencia 135
Ecuación de estado de gas ideal 137¿Elvapor de aguaes un gas ideal? 139
Factor de compresibilidad, una medida
de la desviación del comportamientode gas ideal 139
Otras ecuaciones de estado 144Ecuaciónde estadode Vander Waals 144Ecuaciónde estadode Beattie-Bridgeman 145Ecuaciónde estadode Benedict-Webb-Rubin 145Ecuaciónde estadovirial 145
Temade interésespecial.Presióndevapory equilibriode fases 149
3-4
3-5
3-6
3-7
3-8
Resumen 153Referenciasy lecturasrecomendadas 154Problemas 154
Capftulo4ANÁLISISDEENERGíADESISTEMASCERRADOSI 165
Trabajo de frontera móvilProcesopolitrópico 171
Balance de energía parasistemas cerrados 173
166
6-1
6-2
4-3
4-4Calores específicos 178
Energía interna, entalpía y calores específicosde gases ideales 180Relacionesde caloresespecíficos
de gasesideales 182
Energía interna, entalpía y caloresespecíficos de sólidos y líquidos 189Cambiosde energíainterna 189Cambiosde entalpía 189
Temade interésespecial.Aspectostermodinámicosde lossistemasbiológicos 193
Resumen 200Referenciasy lecturasrecomendadas 201Problemas 201
4-5
Capftulo5ANÁLISISDEMASAY ENERGíADEVOLÚMENES
DE CONTROL(SISTEMASABIERTOS) I 221
5-1 Conservación de la masa 222Flujosmásicoy volumétrico 222Principiode conservaciónde la masa 224Balancede masapara procesosde flujo estacionario 225Casoespecial:flujo incompresible 226
Trabajo de flujo y energíade un fluido en movimiento 228Energíatotal de un fluido en movimiento 229Energíatransportadapor la masa 230
Análisis de energía de sistemasde flujo estacionario 232
Algunos dispositivos de ingenieríade flujo estacionario 2351 Toberasy difusores 2352 Turbinasy compresores 2383 Válvulasde estrangulamiento 2414a Cámarasde mezclado 2424b Intercambiadoresde calor 2445 Flujoen tuberíasy ductos 246
Análisis de procesos de flujo no estacionario 248
Temadeinterésespecial.Ecuacióngeneraldeenergía 254
5-2
5-3
5-4
5-5
Resumen 257Referenciasy lecturasrecomendadas 258Problemas 258
Capítulo6LASEGUNDALEYDELATERMODINÁMICAI 281
Introducción a la segunda ley 282
Depósitos de energía térmica 283
'1
6-3
~
",',.
~
"~.
't
6-4
Máquinas térmicas 284Eficienciatérmica 285¿Es posible ahorrar Osalida? 287La segunda ley de la termodinámica:
enunciado de Kelvin-Planck 289
Refrigeradores y bombas de calor 289Coeficientede desempeño 290Bombasde calor 291Lasegunda leyde la termodinámica:
enunciadode Clausius 294Equivalenciade losdos enunciados 294
Máquinas de movimiento perpetuo
Procesos reversible s e irreversiblesIrreversibilidades 299Procesosinternay externamentereversibles 300
6-5
6-6
295
298
6-7 El ciclo de Carnot 301Ciclo de Carnot inverso 303
Principios de Carnot 303
Escala termodinámica de temperatura
La máquina térmica de Carnot 307Calidadde la energía 309Cantidadcontracalidadenlavidadiaria 310
305
6-8
6-9
6-10
6-11 El refrigerador de Carnoty la bomba de calor 311Temade interésespecial.Refrigeradoresdomésticos313 .
Resumen 317Referenciasy lecturasrecomendadas 318Problemas 318
Capftulo7ENTROPíAI 333
7-1 Entropía 334Casoespecial: procesosisotérmicosde transferencia
de calor internamentereversibles 336
El principio del incremento de entropía 337Algunoscomentariossobre la entropía 339
Cambio de entropía de sustancias puras 341
Procesos isentrópicos 345
Diagramas de propiedades que involucrana la entropía 346
¿Qué es la entropía? 348Laentropíay la generaciónde entropíaen la vida diaria 350
7-2
7-3
7-4
7-5
7-6
7-7
7-8
7-9
Las relaciones T ds 352
Cambio de entropía de líquidos y sólidos 353
Cambio de entropía de gases ideales 356Caloresespecíficosconstantes(análisisaproximado) 357Caloresespecíficosvariables(análisisexacto) 358Procesoisentrópicode gasesideales 360
7-10
7-11
Contenido xv
7-12
Caloresesp~cíficosconstantes(análisisaproximado) 360Caloresespecíficosvariables(análisisexacto) 361Presiónrelativay volumenespecíficorelativo 361
Trabajo reversible en flujo estacionario 364Demostraciónde que losdispositivosde flujo estacionario
entreganel máximotrabajoy consumenel mínimo
cuando el procesoes reversi~le 367
Minimización del trabajo del compresor 368Compresiónporetapasmúltiples
con interenfriamiento 369
Eficiencias isentrópicas de dispositivosde flujo estacionario 372Eficienciaisentrópicade turbinas 373Eficienciasisentrópicasde compresoresy bombas 375Eficienciaisentrópicade toberasaceleradoras 377
7-13 Balance de entropía 379Cambiode entropíade un sistema,LlSsistema380Mecanismosde transferenciade entropía,
Sentraday Ssalida3801 Transferenciade calor 380
2 Flujomásico 381Generaciónde entropía,Sgen 382Sistemascerrados 383Volúmenesde control 383Generaciónde entropíaasociadacon un proceso
de transferenciade calor 391
Temade interésespecial.Reduccióndelcostodel aire comprimido 393
Resumen 402Referenciasy lecturasrecomendadas 403Problemas 404
Capítulo8EXERGíA:UNAMEDIDADELPOTENCIAL
DETRABAJOI 429
8-1 Exergía: potencial de trabajo de la energíaExergía(potencialde trabajo)asociado
con la energíacinética y potencial 431
Trabajo reversible e irreversibilidad 433
Eficiencia según la segunda ley, 1]11 438
Cambio de exergía de un sistema 440Exergíade una masafija: exergíasin flujo
(o de sistemacerrado) 441Exergíade una corrientede fluido:, exergíade flujo (o corriente) 443
Transferencia de exergía por calor,trabajo y masa 446Transferenciade exergíapor calor,O 446Transferenciade exergíapor trabajo, W 448Transferenciade exergíapor masa,m 448
Principio de disminución de exergíay destrucción de exergía 449Destrucciónde exergía 450
430
8-2
8-3
8-4
8-5
8-6
xvi Contenido
8-7 Balance de exergía: sistemascerrados 450
Balance de exergía: volúmenesde control. 463Balance de exergía para sistemas de flujo
estacionario 464Trabajoreversible,W rev 465Eficiencia según la segunda ley para dispo~itivos
de flujo estacionario, 7]11 465
Temade interésespecial.Aspectoscotidianosde la segundaley 471
8-8
Resumen 475Referenciasy lecturasrecomendadas 476Problemas 476
Capítu109CICLOSDEPOTENCIADEGAS I 493
9-1 Consideracionesbásicaspara el análisisde los ciclos de potencia 494
El ciclo de Carnot y su valoren ingeniería 496
9-2
9-3
9-4
Suposiciones de aire estándar 498
Breve panorama de las máquinasreciprocantes 499
9-5 Ciclo de Otto:el ciclo ideal para las máquinasde encendido por chispa 500
Ciclo diesel: el ciclo ideal para las máquinasde encendido por compresión 506
Ciclos Stirling y Ericsson 509
9-6
9-7
9-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motoresde turbina de gas 513Desarrollo de las turbinas de gas 516Desviación de los ciclos reales de turbina de gas
en comparacióncon los idealizados 519
9-9 Ciclo Braytoncon regeneración 521
9-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento,recalentamiento y regeneración 523
9-11 Ciclos ideales de propulsiónpor reacción 527Modificaciones para motores de turborreactor 531
Análisis de Ciclos de potencia de gascon base en la segunda ley 533Temadeinterésespecial.Ahorrodecombustibleydineroalmanejarconsensatez 536
9-12
Resumen 543Referenciasy lecturasrecomendadas 544Problemas 545
Capítulo 1OCICLOSDE POTENCIADEVAPOR
YCOMBINADOSI 561
10-1
10-2El ciclo de vapor de Carnot 562
Ciclo Rankine: el ciclo ideal paralos ciclos de potencia de vapor 563Análisis de energía del ciclo Rankine ideal 564
Desviación de los ciclos de potencia de vaporreales respecto de los idealizados 567
¿Cómo incrementar la eficienciadel ciclo Rankine? 570Reducción de la presión del condensador
(reducción de Tba¡a,prom)570Sobrecalentamiento del vapor a altas
temperaturas !:-incremento de Talta,prom)571Incremento de la presión de la caldera
(incremento de Talta,prom)571
El ciclo Rankine ideal con recalentamiento
10-3
10-4
10-5
10-6
574
El ciclo Rankine ideal regenerativo 578Calentadores abiertos de agua de alimentación 578Calentadores cerrados de agua de alimentación 580
Análisis de ciclos de potencia de vaporcon base en la segunda ley 586
Cogeneración 588
Ciclos de potencia combinadosde gas y vapor 593
Temadeinterésespecial.Ciclosbinariosdevapor 596
10-7
10-8
10-9
Resumen 599Referenciasy lecturasrecomendadas 599Problemas 600
Capítulo 1J.
CICLOSDEREFRIGERACiÓNI 617
11-4
11-5
11-6
11-7
11-1
11-2
11-3
Refrigeradores y bombas de calor 618
El ciclo invertido de Carnot 619
El ciclo ideal de refrigeraciónpor compresión de vapor 620
Ciclo real de refrigeraciónpor compresión de vapor 624
Selección del refrigerante adecuado
Sistemas de bombas de calor 628
626
Sistemas innovadores de refrigeraciónpor compresión de vapor 630Sistemas de refrigeración en cascada 630Sistemas de refrigeración por compresión
de múltiples etapas 633
l.
Sistemasde refrigeraciónde propósitomúltiplecon un solocompresor 635
Licuefacciónde gases 636
Ciclos de refrigeración de gas 638
Sistemas de refrigeraciónpor absorción 641
Temadeinterésespecial.Sistemastermoeléctricosdegeneracióndepotenciayderefrigeración644
11-8
11-9
Resumen 646
Referenciasy lecturasrecomendadas 647Problemas 647
Capítulo 12 .
RELACIONESDEPROPIEDADES
TERMODINÁMICASI 663
Un poco de matemáticas: derivadas parcialesy relaciones asociadas 664Diferencialesparciales 665Relacionesdederivadasparciales 667
12-2 Relaciones de Maxwell 668
12-3 La ecuación de Clapeyron 670
12-4 Relaciones generales para du, dh, ds,
Cvy cp 673Cambiosen laenergíainterna 673Cambiosdeentalpía 674Cambiosdeentropía 675CaloresespecíficosCvy cp 676
12-5 El coeficiente Joule- Thomson 680
12-6 Las /lh, /lu y /ls de gases reales 681Cambiosen la entalpíade gasesreales 682Cambiosde energíainternade gasesideales 683Cambiosde entropíade gasesreales 683
12-1
Resumen 686Referenciasy lecturasrecomendadas 687Problemas 687
CapítuloMEZCLASDE GASES I 695
13-1 Composición de una mezcla de gases:fracciones molares y de masa 696
13-2 Comportamiento P-v-T de mezclasde gases: gases ideales y reales 698Mezclasde gasesideales 699Mezclasde gasesreales 699
Propiedades de mezclas de gases:gases ideales y reales 703Mezclasdegasesideales 704Mezclasdegasesreales 707
13-3
Contenido xvii
Temade interésespecial.Potencialquímicoy el trabajodeseparaciónde mezclas 711
Resumen 722Referenciasy lecturasrecomendadas 723Problemas 723
Capítulo14MEZCLASDEGAS-VAPORY ACONDICIONAMIENTODEAIRE I 731
14-1 Aire seco y aire atmosférico 732
14-2 Humedad específica y relativa del aire 733
14-3 Temperatura de punto de rocío 735
14-4 Temperaturas de saturaciónadiabática y de bulbo húmedo 737
14-5 La carta psicrométrica 740
14-6 Comodidad humana y acondicionamientode aire 741
14-7 Procesos de acondicionamiento de aire 743Calentamientoy enfriamientosimples (w = constante) 744Calentamientocon humidificación 745Enfriamientocon deshumidificación 746Enfriamientoevaporativo 748Mezcladoadiabáticode flujos de aire 749Torresde enfriamientohúmedo 751
Resumen 753Referenciasy lecturasrecomendadas 755Problemas 755
Capítulo15REACCIONESQUíMICASI 767
15-1 Combustibles y combustión 768
15-2 Procesos de combustión teórica y real 772
15-3 Entalpía de formación y entalpíade combustión 778
15-4 Análisis de sistemas reactivos con base
en la primera ley 781Sistemasde flujo estacionario 781Sistemascerrados 783
15-5 Temperatura de flama adiabática 786
15-6 Cambio de entropía de sistemas reactivos 789
15-7 Análisis de sistemas reactivos con baseen la segunda ley 791
Temadeinterésespecial.Celdasdecombustible796Resumen 798Referenciasy lecturasrecomendadas 799Problemas 799
xviii Contenido
Capítulo J6-EQUILIBRIOQUíMICOY DEFASE I 811
ApéndiceJTABLASDE PROPIEDADES,FIGURAS
YDlAGRAMAS(UNIDADESSI) I 90316-1 Criterio para el equilibrio químico 812
16-2 La constante de equilibrio para mezclasde gases ideales 814 .
16-3 Algunas observaciones respecto a la Kpde las mezclas de gases ideales 817
16-4 Equilibrio químico para reaccionessimultáneas 822
16-5 Variación de Kp con la temperatura 824
16-6 Equilibrio de fase 826Equilibriode fase para un sistemade un solo
componente 826Lareglade fases 827Equilibriode fases para un sistema
multicomponente 828
TablaA-l
TablaA-2
TablaA-3
TablaA-4
TablaA-5TablaA-6TablaA-7TablaA-a
FiguraA-9FiguraA-lO
Resumen 833Referencias y lecturas recomendadas 834Problemas 835
Capítulo 17FLUJOCOMPRESIBLEI 843
TablaA-ll
TablaA-12
17-1 Propiedades de estancamiento 844
17-2 Velocidad del sonido y númerode Mach 847
17-3 Flujo isentrópico unidimensional 849Variación de la velocidad del fluido con el área
de flujo 852
Relaciones de propiedades para el flujo isentrópicode gases ideales 854
17-4 Flujo isentrópico a través de toberasaceleradoras 856Toberas aceleradoras convergentes 856Toberas convergentes-divergentes 861
TablaA-13
FiguraA-14
FiguraA-15
TablaA-16
TablaA-17TablaA-la
TablaA-1917-5 Ondas de choque y ondas
de expansión 865Choquesnormales 865Choquesoblicuos 872Ondasexpansivasde Prandtl-Meyer 876
17-6 Flujo en un ducto con transferenciade calor, de fricción insignificante(flujo de Rayleigh) 880Relaciones de propiedades para flujos
de Rayfeigh 886Flujo de Rayleigh bloqueado 887
17-7 Toberas de vapor de agua 889
Resumen 892Referenciasy lecturasrecomendadas 893Problemas 894
TablaA-20
TablaA-2l
TablaA-22
TablaA-23
TablaA-24
TablaA-25
Masamolar, constante de gas ypropiedades del punto crítico 904
Calores específicos de gas idealde varios gases comunes 905
Propiedades de líquidos, sólidosy alimentos comunes 908
Agua saturada. Tablade temperaturas 910
Agua saturada. Tabla de presiones 912
Vapor de agua sobrecalentado 914
Agua-líquida comprimida 918
Hielo saturado. Vapor de agua 919
Diagrama T-s para el agua 920
Diagrama de Mollier parael agua 921
Refrigerante 134a saturado. Tablade temperatura 922
Refrigerante 134a saturado. Tablade presión 924
Refrigerante 134a sobrecalentado 925
Diagrama P-h para elrefrigerante 134a 927
Gráfica generalizada de compresibilidadde Nelson-Obert 928
Propiedades de la atmósfera a granaltitud 929
Propiedades de gas ideal del aire 930
Propiedades de gas ideal del nitrógeno,N2 932
Propiedades de gas del oxígeno,°2 934Propiedades de gas ideal del dióxidode carbono, CO2 936
Propiedades de gas ideal del monóxidode carbono, CO 938
Propiedades de gas ideal del hidrógeno,H2 940
Propiedades de gas ideal del vaporde agua, H20 941
Propiedades de gas ideal del oxígenomonoatómico, O 943
Propiedades de gas ideal del hidroxilo,OH 943
TablaA-26
TablaA-27
TablaA-28
FiguraA-29
FiguraA-30
FiguraA-31
TablaA-32
TablaA-33
TablaA-34
Entalpía de formación, función de Gibbsde formación y entropía absoluta a 25°C,1 atm 944
Propiedades de algunos combustiblese hidrocarburos comunes 945
Logaritmos naturales de la constantede equilibrio Kp 946Gráfica generalizada de desviaciónde entalpía 947
Gráfica generalizada de desviaciónde entropía 948
Gráfica psicrométrica a 1 atm de presióntotal 949
Funciones de flujo compresibleunidimensional e isentrópico deun gas ideal con k = 1.4 950
Funciones de choque normalunidimensional de un gas idealcon k = 1.4 951
Funciones del flujo de Rayleigh para ungas ideal con k = 1.4 952
Apéndice 2TABLASDEPROPIEDADES,FIGURASY DlAGRAMAS
(UNIDADESINGLESAS)I 953
TablaA-1E
TablaA-2E
TablaA-3E
TablaA-4E
TablaA-5E
Masa molar, constante de gas ypropiedades del punto crítico 954
Calores específicos de gas idealde varios gases comunes 955
Propiedades de líquidos, sólidosy alimentos comunes -958
Agua saturada. Tablade temperaturas 960
Agua saturada. Tablade presiones 962
TablaA-6ETablaA-7ETablaA-8E
FiguraA-9EFigura A-1 QETablaA-11E
TablaA-12E
TablaA-13E
FiguraA-14E
TablaA-16E
TablaA-17ETablaA-18E
TablaA-19E
TablaA-20E
TablaA-21E
TablaA-22E
TablaA-23E
TablaA-26E
TablaA-27E
Figura A-31 E
índice 995
Contenido
Vapor de agua sobrecalentado 964
Agua líquida comprimida 968
Hielo saturado. Vapor de agua 969
Diagrama T-s para el agua 970
Diagrama de Mollier para;el agua 971Refrigerante 134a saturado. Tablade temperatura 972
Refrigerante 134a saturado. Tablade presión 973
Refrigerante l34a sobrecalentado 974
Diagrama P-h para refrigerante134a 976
Propiedades de la atmósfera a granaltitud 977
Propiedades de gas ideal del aire 978
Propiedades de gas ideal del nitrógeno,N2 980
Propiedades de gas ideal del oxígeno,O2 982
Propiedades de gas ideal del dióxidode carbono, CO2 984
Propiedades de gas ideal del monóxidode carbono, CO 986
Propiedades de gas ideal del hidrógeno,H2 988
Propiedades de gas ideal del vaporde agua, HP 989
Entalpía de formación, función de Gibbsde formación y entropía absoluta a 77°C,1 atm 991
Propiedades de algunos combustiblese hidrocarburos comunes 992
Gráfica psicrométrica a 1 atmde presión total 993
xix