Termodinamica basica y aplicada

por el Prof. I. Martinez

Catedritico de Universidad Universidad PolitCcnica de Madrid

Dedicatoria A mi padre, que me hizo amar el estudio,

y a1 Profesor Da Riva, que me dio ejemplo en el trabajo.

Agradecimiento:

Deseo expresar mi mas sincera gratitud a 10s colegas de las Escuelas de lngenieros Aeronauticos y Navales que se han prestado a la ingrata labor de revisar diferentes partes de esta obra, y muy especialmente al Prof. Pablo de Assas y Martinez de Morentin, que ha tenido el valor y la perseverancia de llevar a cab0 la revision tecnica de toda la obra.

Ademas, he de reconocer la ayuda que me han prestado varias personas en la confection final del libro, en particular Manuel Ortega en la delineaci6n y Donato Franco en la mecanografia y formato.

Contenido

PREFACIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . d g . i x Sobre el objetivo. Sobre las aplicaciones. Sobre el mktodo. Sobre el contenido. Sobre 10s problemas propuestos.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capitulo 1: ENERGIA. page 1

La estructura de la materia. La Termodina'rnica en la Fisica. Efectos tkrrnicos. Sistema termodinimico: frontera. Descripci6n del medio, su estado y su evoluci6n. Magnitudes conservativas y aditivas. Principio de conservaci6n de la energia. Energia mecinica. Energia interna. Caso de sustancias calorificamente perfectas. Modos microsc6picos de almacenamiento de energia. Medida de la energia. El trabajo en Termodinrimica. Fricci6n. Calor. Trabajo no compresible.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capitulo 2: ENTROPIA. pag. 21

Medios continuos: la escala intermedia. Influencia de las escalas de espacio y tiempo en la Termodinrimica. El estado de equilibrio. Entropia e informaci6n. Consecuencia del equilibrio termodina'mico: temperatura, presi6n y potenciales quimicos. Entropia de sustancias calorificamente perfectas. Generaci6n de entropia. Variables extensivas, intensivas, de estado y de camino. Relacidn entre las variables de estado: ecuaciones de Euler, Gibbs y Gibbs- Duhem.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capitulo 3: EXERGIA. pdg. 4 1

Obtenci6n de trabajo ma'ximo y consumo minimo de trabajo. Trabajo limite en presencia de una atmdsfera infinita. Disponibilidad de fuentes tirmicas. Irreversibilidad. Exergia. Rendimiento energktico y rendimiento exergktico. Procesos ciclicos. Miquina de Carnot. Nota hist6rica sobre la definici6n de entropia a partir de las miquinas tkrmicas. Eficiencia esta'tica (en energia) y eficiencia dinimica (en potencia).

. . . . . . Capitulo 4: POTENCIALES TERMODINAMICOS Y PROPIEDADES. phg. 59 Potenciales termodinimicos. Ecuaciones de estado y coeficientes termodinimicos. Relaciones entre 10s coeficientes termodina'micos. Estabilidad de 10s sistemas homogkneos: consecuencias. Datos que necesita la Termodina'mica. Diagramas de propiedades de sustancias puras. Modelo de estados correspondientes. Ecuaciones de estado algebraicas. Capacidad tkrmica de gases a bajas presiones. Bancos de datos. Relaciones que suministra la Termodinimica.

Capitulo 5 : TERMODINAMICA DEL VOLUMEN DE CONTROL. . . . . . . . . . . pag. 81 Ecuaciones generales aplicadas a un volumen de control. Presurizaci6n y despresurizacidn de dep6sitos. Regimen estacionario. Ecuaci6n de Bernoulli generalizada. Condiciones totales o de remanso para flujo comprensible y flujo incomprensible. Comprensi6n y expansi6n de gases. Rendimientos. Compresi6n y expansi6n escalonadas. Movimiento compresible en conductos. Efecto de la variaci6n de Area y de la adici6n de calor. Tobera isentr6pica. Irreversibilidades en una onda de choque.

v i I. Martinez: TERMODINAMICA BASICA Y APLICADA

. . . Capitulo 6: TERMODINAMICA DEL CAMBIO DE FASE E INTERFASES. pdg. 1 1 1 Anilisis tCrmico: diagramas. Regidn critica liquido-vapor. Ecuaci6n de Clapeyron. Otros cambios de fase. Equilibrio y estados metaestables: regla de Maxwell. Discontinuidad de las magnitudes termodinimicas. Compresi6n y expansi6n de sistemas bifrisicos. Efecto de la curvatura sobre el equilibrio liquido-vapor. Nucleaci6n. Fen6menos interfaciales. Sistemas coloidales. Termodinimica de interfases. Teoria de Gibbs. Energia interfacial en sistemas puros. Adsorci6n en sistemas multicomponentes.

Capitulo 7: TERMODINAMICA DE LAS MEZCLAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 1 4 3 Mezclas y disoluciones. Medida de la composici6n. Propiedades molares parciales. Mezclas ideales: entropia de mezclado. Mezcla de gases reales. Mezclas condensadas reales. Solubilidad. Mezclas heterogkneas. Anrilisis tCrmico: diagramas. Condiciones de equilibrio: regla de las fases. Propiedades coligativas. Separaci6n por membrana semipermeable. Equilibrio liquido-vapor. Leyes de Raoult y Henry. Composicidn de equilibrio. Cilculo de funciones de estado. Influencia de un gas no condensable sobre las fases de una sustancia pura.

Capitulo 8: TERMODINAMICA DEL AlRE HUMEDO. . . . . . . . . . . . . . . . pBg. 175 Aire h6medo. Humedad absoluta y relativa. Temperatura de rocio, de saturaci6n adiabitica y de bulbo h6medo. Funciones termodinrimicas. Diagrama psicromCtrico. Acondicionamiento ambiental. Ambientes biol6gicos. Cargas mrisicas y tCrmicas. Temperatura efectiva: confor. Humidificacibn, secado y enfriamiento. Torres h6medas. La temperatura de la atm6sfera terrestre.

Capitulo 9: TERMODINAMICA DE LAS REACCIONES QUIMICAS. . . . . . . . phg. 195 Reacciones quimicas. Grado de reacci6n. Afinidad. Reacciones m6ltiples y acopladas. Entalpia de formacidn y entropia absoluta. Energia de las reacciones quimicas. Exergia de las reacciones quimicas. Viabilidad de una reacci6n. Equilibrio quimico: composici6n de equilibrio. Estabilidad: principio de Le Chatelier. Crilculo de potenciales estrindar.

Capitulo 10: TERMODINAMICA DE LA EVOLUCION. . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 225 Equilibrio local. Fuerzas y flujos. Producci6n de entropia. Leyes fenomenol6gicas de transporte. Relaciones de Onsager. Estado estacionario: minima producci6n de entropia. Estructuras disipativas. Sistemas termoelCctricos: flujo de calor y de electricidad en un conductor. Efecto Seebeck. Efectos Thomson y Peltier. Teon'a cinCtica de gases. Colisiones con una pared. Distribuci6n de velocidades moleculares. Recorrido libre medio. Coeficiente generalizado de transporte.

Capitulo 11: DlFUSlON TERMICA Y MASICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 243 Mecanismos de transmisi6n de la energia tCrmica. Ley de Fourier. Conductividad: de metales, no metales y aislantes. Ecuaci6n del calor y condiciones de contorno. Conducci6n unidimensional estacionaria en pared plana compuesta, cilindro y esfera: fuentes y sumideros. Conducci6n casi-unidimensional: aletas. Comportamiento transitorio: inercia tCrmica. MCtodos numCricos. Conducci6n con cambio de fase. Transporte de masa. Ley de Fick. Ecuaci6n de la difusi6n. Difusi6n unidimensional plana. Difusi6n unidimensional esfCrica

viii I. Martinez: TERMODINAMICA BASlCA Y APLICADA

. Capitulo. 20: PROYECTOS TERMOTECNICOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pdg 51 3 Proyectos termotCcnicos. Diseiio conceptual. Modelizacidn, simulacidn, optimizaci6n. Aspectos econ6micos.

Capitulo. 21: METROLOGIA TERMICA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 537 Experimentacibn. Metrologia. Instrumentacidn. Caracteristicas metroldgicas. Incertidumbre en la medida. Variables a medir. Bucles de control. Termometria. Temperatura prictica intemacional. Term6metros. Term6metros de dilataci6n. Termorresistencias. Termopares. Radi6metros. Otros term6metros. Calorimetria. Tipos de calorimetros. Medida de capacidades tkrmicas. Crilculo estadistico de propiedades tkrmicas.

ApCndice 1: HISTORIA DE LA TERMODINAMICA. . . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 573 Introducci6n. Termometria (de Galileo a Black). Calorimetria (de Black a Joule). Eficiencia tkrmica (de Carnot a Gibbs). Equilibrio (de Gibbs a Onsager). No equilibrio (de Onsager a nuestros dias). Etimologias.

ApCndice 2: SIMBOLOS Y AYUDAS MATEMATICAS. . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 585 Simbolos. Derivadas parciales. Formas de Pfaff. Teorema de Euler de las funciones homogkneas. Transformacidn de Legendre. Multiplicadores de Lagrange. Funci6n error de Gauss. Aproximacidn de Stirling. Anrilisis numCrico.

ApCndice 3: PROPIEDADES TERMICAS DE LA MATERIA. . . . . . . . . . . . pdg. 605 Definicidn de las unidades brisicas del S.I. Constantes fisicas universales. Propiedades de gases. Propiedades de liquidos. Propiedades de s6lidos. Capacidades tCrmicas de gases a bajas presiones. Presi6n de vapor de sustancias puras. Diagramas generalizados de compresibilidad. Diagrama de Mollier del agua. Diagrama del R-12. Diagrama del didxido de carbono. Diagrama del nitrdgeno. Diagrama de Mollier del aire h6medo. Entalpias y funciones de,Gibbs de formacidn y entropias estrindar. Propiedades de combustibles.

REFERENCIAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 623

INDICE ANALITICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pdg. 627