Termodinámica / Kenneth Wark, Jr.

CONTENIDO
1. Conceptos y definiciones básicas 1
La naturaleza de la termodinámica 1
Conversión de energía y eficiencia 4
Dimensiones y unidades 5
Sistema, propiedad y estado 10
Densidad, volumen específico y densidad relativa 13
Presión 14
Temperatura y la Ley Cero 18
2. La primera ley de la termodinámica y el postulado de estado 26
Introducción 26
El concepto de trabajo y el proceso adiabático 26
La primera ley de la termodinámica 29
Un principio de conservación de energía para sistemas cerrados 31
La naturaleza de la energía E 33
Modos de trabajo intrínseco cuasi estático 36
Trabajo de expansión y compresión 37
Otras formas cuasi estáticas de trabajo 46
Formas de trabajo irreversible 52
El postulado de estado y los sistemas simples 55
Entalpía y capacidades térmicas específicas 57
Conservación de la energía para sistemas simples compresibles cerrados 59
Técnicas de resolución de problemas 60
3. El gas ideal 73
Introducción 73
La ecuación de estado del gas ideal 73
Relaciones de energía interna, entalpía y capacidad térmica específica para los gases ideales 82
Capacidades térmicas específicas para los gases ideales 83
Análisis de energía de sistemas cerrados de gases ideales 100
4. Propiedades físicas de las sustancias puras 110
La superficie P-v-T 110
El diagrama presión-temperatura 114
El diagrama presión-volumen 116
Tabla de propiedades de las sustancias puras 117
Los datos tabulares y el análisis de energía en sistemas cerrados 131
El factor de compresibilidad y los estados correspondientes 143
Relaciones de propiedades para sustancias incompresibles 149
5. Análisis de energía mediante volúmenes de control 166
Introducción 166
Principio de conservación de la masa para un volumen de control en estado estacionario 167
El principio de conservación de la energía para un volumen de control 171
Ecuaciones de energía para un volumen de control en estado estacionario 174
Comentarios sobre técnicas de resolución de problemas 176
Aplicaciones a la ingeniería de los sistemas abiertos en estado estacionario 178
6. La segunda ley y la entropía 205
Introducción 205
Equilibrio y la segunda ley 207
Máquinas térmicas 208
Enunciado de Kelvin y Planck de la segunda ley 210
Procesos reversibles e irreversibles 212
Depósitos de calor y de trabajo 215
El principio de Carnot 216
La escala termodinámica de temperatura y la eficiencia de Carnot 217
El refrigerador y la bomba de calor de Carnot 220
La desigualdad de Clasius 224
Entropía 227
El principio del incremento de entropía 230
Cambio de entropía en depósitos de calor 232
Efectos de la transferencia de calor reversible e irreversible 237
7. Algunas consecuencias de la segunda ley 248
El diagrama temperatura-entropía 248
Análisis de segunda ley para un volumen de control 249
Las ecuaciones I dS 252
Cambio de entropía en un gas ideal 253
Cambio de entropía de una sustancia incompresible 261
Cambio de entropía de una sustancia real pura 264
8. Consecuencias adicionales de la segunda ley 279
Procesos isentrópicos 279
El diagrama entalpía-entropía 292
Eficiencias adiabáticas de equipos de flujo estacionario 293
Algunas relaciones aplicables a interacciones de trabajo 298
Procesos de flujo adiabático en los que intervienen fluidos incompresibles 301
El ciclo de Carnot 307
Energía disponible y no disponible 312
Un punto de vista estadístico de la entropía 317
9. Disponibilidad e irreversibilidad 336
Introducción 336
Trabajo óptimo e irreversibilidad 337
Disponibilidad 349
Efectividad de los procesos 361
10. Análisis de flujo transitorio 367
Introducción 367
Principios generales de conservación de la energía y de la masa para un volumen de control 368
Carga y descarga de recipientes rígidos 371
Análisis de un sistema en estado transitorio con trabajo de frontera 378
Irreversibilidad y disponibilidad en sistemas en estado transitorio 381
11. Mezclas de gases ideales sin reacción 391
Introducción 391
Análisis de composición de las mezclas gaseosas 392
Relaciones PvT para mezclas de gases ideales 394
Propiedades de las mezclas de gases ideales 398
Procesos de mezclado en los que intervienen gases ideales 406
Propiedades de una mezcla de un gas ideal y un vapor 410
Las temperaturas de saturación adiabática y de bulbo húmedo 416
El diagrama psicrométrico (carta psicrométrica) 419
Procesos de acondicionamiento de aire 421
12. Comportamiento PvT de gases reales y mezclas de gases reales 457
La ecuación de estado del virial 457
La ecuación de estado de van der Waals 459
Otras ecuaciones de estado 461
Cargas de compresibilidad generalizadas 465
Mezclas de gases reales 466
13. Relaciones termodinámicas generalizadas 477
Fundamentos de las derivadas parciales 478
Algunas relaciones fundamentales para sistemas simples compresibles 480
Relaciones generalizadas para cambios de entropía, energía interna y entalpía 481
Relaciones generalizadas para Cp y Cv 486
Presión de vapor y la ecuación de Clapeyron 490
El coeficiente de Joule- Thompson 493
Cartas termodinámicas generalizadas 497
14. Combustión y termoquímica 514
La estequiometría de las reacciones 514
Procesos de combustión reales 522
La entalpía de formación 525
Análisis de energía en flujo estable para mezclas reactivas 527
Temperatura de combustión adiabática 531
Análisis termoquímico de sistemas de volumen constante 537
Entalpía de reacción y poder calorífico 542
Análisis de segunda ley para las reacciones químicas 547
Análisis de disponibilidad para sistemas reactivos 554
15. Equilibrio químico 574
Introducción 574
Criterios de equilibrio 575
Equilibrio y potencial químico 578
El potencial químico de un gas ideal 580
La constante de equilibrio Kp 581
Cálculo de valores de Kp 583
Cálculo de composiciones en equilibrio 585
Reacciones de ionización 588
Análisis de primera ley de mezclas de gases ideales en equilibrio 589
Reacciones simultáneas 594
Una relación entre Kp y la entalpía de la reacción 596
16. Ciclos de potencia de gases 605
El ciclo de aire estándar 605
El ciclo de Carnot de aire estándar 606
Nomenclatura introductoria para dispositivos alternativos 609
El ciclo de Otto de aire estándar 611
El ciclo de Diesel de aire estándar y el ciclo dual 617
El ciclo de Brayton de aire estándar 624
La eficiencia adiabática de dispositivos de trabajo 630
El ciclo regenerativo de turbina de gas 635
El proceso politrópico 640
Análisis de compresores en flujo estable 642
Ciclos de turbina de gas con enfriamiento intermedio y recalentamiento 645
Funcionamiento de toberas y difusores 651
Turbinas de gas para aviones 654
Ciclos cerrados para turbinas de gas 664
Los ciclos de Ericsson y de Stirling 667
17. Ciclos de potencia de vapor 688
El ciclo de vapor de Carnot 688
El ciclo de Rankine 689
El ciclo de recalentamiento ideal 698
El ciclo regenerativo ideal 701
Efecto de las irreversibilidades en funcionamiento de los ciclos de potencia de vapor 716
Ciclo Rankine supercrítico 718
Ciclos de vapor de alta temperatura y binarios 720
18. Sistemas de refrigeración 733
El ciclo de Carnot invertido 733
El ciclo de refrigeración por compresión de vapor 735
La bomba de calor 741
Ciclos de refrigeración de gas 743
Licuefacción y solidificación de gases 745
Sistemas de compresión de vapor en cascada y en etapas múltiples 749
Ciclo de refrigeración de Stirling 753
Refrigeración por absorción 756
19. Sistemas de energía avanzados y novedosos 770
Baterías y pilas de combustión 770
El ciclo combinado 778
Sistemas de cogeneración 782
Magnetohidrodinámica 787
Conversión de energía geotérmica 790
Conversión de energía térmica del océano 792
Lecturas recomendadas 795