Ingeniería termodinámica / James Beverly Jones, Regina E. Dugan.

CONTENIDO
A. Introducción a la termodinámica 1
1. Conceptos básicos y definiciones 11
1.1 Sistemas termodinámicos 12
1.2 Propiedades, estados y procesos 14
1.3 Modelado de sistemas y procesos 17
1.4 Dimensiones y unidades 19
1.4.1 Sistema internacional de unidades (SI) 20
1.4.2 Sistema inglés de unidades 21
1.5 Algunas propiedades directamente observables 23
1.5.1 Densidad y volumen específico 23
1.5.2 Presión 24
1.5.3 Temperatura 26
1.6 Funciones de punto y de trayectoria 29
1.7 Conservación de la masa 36
1.8 Flujo estable 39
1.9 Trabajo 44
1.9.1 Proceso cuasiequilibrio de un sistema simple compresible cerrado 47
1.9.2 Proceso cuasiequilibrio de una sustancia simple compresible en flujo estable 52
1.9.3 Procesos cuasiequilibrio de otros sistemas 60
1.10 Calor 62
2. Propiedades-Relaciones pvT 81
2.1 Fases de sustancias 82
2.1.1 Modelo molecular de sólidos, líquidos y gases 82
2.1.2 Sustancias puras 84
2.1.3 Equilibrio de fases de una sustancia pura 84
2.2 Datos de propiedades 98
2.3 Ecuaciones de estado para gases 107
2.3.1 La ecuación de estado de un gas ideal 108
2.3.2 Aplicación de la ecuación de estado de un gas ideal a gases reales 109
2.3.3 Escala de temperatura de gas ideal 115
2.4 Ecuaciones de estado para líquidos y sólidos 115
B. Notas sobre solución de problemas 127
3. La primera ley de la termodinámica 139
3.1 La primera ley para procesos cíclicos 140
3.2 La primera ley para procesos no cíclicos: definición de energía almacenada 144
3.3 La naturaleza de la energía almacenada 149
3.4 La primera ley aplicada a sistemas cerrados 152
3.5 La primera ley aplicada a sistemas abiertos 157
3.5.1 Sistemas abiertos-general 157
3.5.2 Sistemas abiertos-flujo estable 163
3.5.3 Aplicaciones de la primera ley a sistemas abiertos 166
3.6 Uso de la primera ley para evaluar el rendimiento 186
3.7 Nota histórica acerca de la primera ley 191
4. Propiedades que dependen de la primera ley 211
4.1 Energía interna y entalpía de sustancias 212
4.1.1 Calores latentes 217
4.1.2 Calores específicos 225
4.2 Energía interna y entalpía de gases ideales 228
4.2.1 Calores específicos de gases ideales 231
4.2.2 Gases ideales con calores específicos constantes-un caso especial 242
4.2.3 Proceso adiabático cuasiequilibrio de gases ideales con calores específicos constantes 242
4.2.4 Teoría cinética y explicaciones de mecánica estadística 250
4.3 Fuentes de datos de propiedades 252
5. La segunda ley de la termodinámica 273
5.1 Limitaciones de la primera ley; por qué necesitamos una segunda ley 274
5.2 La segunda ley de la termodinámica 275
5.3 El uso de la segunda ley 278
5.4 Procesos reversibles e irreversibles 179
5.4.1 Ilustraciones 279
5.4.2 Características de los procesos reversibles e irreversibles 284
5.4.3 Reversibilidad interna y externa 288
5.5 Ciclos reversibles 289
5.5.1 El ciclo de Carnot 303
5.5.2 El ciclo de Carnot inverso 295
5.5.3 Otros ciclos reversibles 300
5.6 Los corolarios de Carnot 303
5.7 La escala de temperatura termodinámica 306
5.8 Máquinas de movimiento perpetuo 313
5.9 Procesos irreversibles y desorden molecular 314
6. Propiedades que dependen de la segunda ley-Entropía y otras 325
6.1 La propiedad de la entropía 326
6.1.1 Cálculo de cambios en la entropía a partir de la definición 331
6.2 Relaciones útiles entre las propiedades: las ecuaciones T ds 338
6.2.1 Cálculo de cambios en la entropía a partir de las ecuaciones Tds 341
6.3 La entropía como una coordenada 350
6.4 El principio de incremento de la entropía 354
6.5 Funciones de Helmholtz y de Gibbs 362
6.6 Usos de la entropía 364
6.7 Entropía y probabilidad; entropía en otros campos 365
7. Relaciones entre las propiedades 383
7.1 Las ecuaciones de Maxwell 384
7.2 Algunas aplicaciones de las ecuaciones de Maxwell 386
7.2.1 Funciones características 389
7.2.2 La ecuación de Clapeyron 390
7.3 Ecuaciones generales para energía interna, entalpía y entropía en términos de p, v, T y calores específicos 393
7.4 Relaciones de calor específico 396
7.5 El coeficiente de Joule-Thomson 402
7.5.1 El coeficiente de Joule-Thomson en términos de datos de pvT y Cp 404
7.5.2 El coeficiente de temperatura constante 405
7.5.3 Relacionando lecturas de termómetro con escalas de temperatura termodinámica 406
7.6 Gases reales 407
7.6.1 Ecuaciones de estado para gases 407
7.6.2 La hipótesis de estados correspondientes y factores de compresibilidad generalizados 413
7.6.3 Entalpía y entropía de gases reales 416
8. Disponibilidad e irreversibilidad 433
8.1 Trabajo máximo 434
8.1.1 Trabajo máximo para un sistema que intercambia calor únicamente con la atmósfera 435
8.1.2 Trabajo máximo para un sistema que intercambia calor con la atmósfera y un reservorio a TR 437
8.2 Disponibilidad 443
8.3 Energía disponible y no disponible 450
8.3.1 Energía disponible y no disponible de un sistema y la atmósfera circundante 451
8.3.2 Transferencia de calor de partes disponibles y no disponibles 452
8.4 Irreversibilidad 457
8.5 Contabilidad de la disponibilidad y de la energía disponible 467
C. Recapitulación-Viendo hacia atrás, viendo hacia adelante 485
9. Gas y mezclas de gas-vapor 489
9.1 Mezclas de gases 490
9.1.1 Análisis de mezclas 490
9.1.2 Presión parcial y volumen parcial 491
9.1.3 El modelo de Dalton 492
9.1.4 El modelo de Amagat 493
9.1.5 Propiedades de mezclas de gas-ideal basadas en el modelo de Dalton 496
9.2 Mezclas de gases ideales 501
9.3 Mezclas de gases reales 505
9.4 Mezclas de gases ideales y vapores 507
9.4.1 Aire atmosférico 510
9.4.2 Humedad relativa y razón de humedad 511
9.4.3 Temperaturas usadas en psicrometría 513
9.4.4 Cartas psicrométricas 518
9.5 Procesos de mezclas de gases ideales y vapores 522
10. Mezclas binarias 543
10.1 Características de mezclas binarias 544
10.2 Diagramas Txy y yx 548
10.3 Equilibrio líquido-vapor: líquidos miscibles 553
10.4 Equilibrio líquido-gas: solubilidad 553
10.5 Sistemas de ingeniería: rectificadores y desaereadores 554
11. Reacciones químicas-combustión 563
11.1 Algunos preliminares 564
11.1.1 Las reacciones de combustión básicas 564
11.1.2 La composición del aire seco 565
11.2 El balance de masa de la combustión 566
11.2.1 Combustión ideal 567
11.2.2 Combustión real 574
11.3 Balance de energía de combustión 583
11.3.1 Energía interna de reacción 583
11.3.2 Entalpía de reacción 585
11.3.3 Relación entre AUR y AHR 587
11.3.4 Cálculo de la entalpía de reacción a partir de la entalpía de formación 590
11.3.5 Cambio de entalpía en un proceso de combustión: forma general 593
11.4 Datos de combustión 594
11.5 Temperatura máxima de combustión adiabática 600
11.6 Equilibrio químico 603
11.7 Análisis de la segunda ley de reacciones químicas 604
12. Equilibrio químico en reacciones de gas ideal 619
12.1 Criterios de equilibrio 620
12.2 La constante de equilibrio, Kp 623
12.2.1 La naturaleza de Kp 628
12.2.2 Kp en términos de la constante de equilibrio de formación, Kf 628
12.3 Uso de la constante de equilibrio en aplicaciones 636
12.4 Relación de Kp con otras propiedades termodinámicas 644
12.4.1 La relación entre Kp y AhR 645
12.4.2 La relación entre Kp y AgR 646
12.5 Nota sobre velocidades de reacción 647
13. Aspectos termodinámicos del flujo de fluidos 657
13.1 Definiciones 658
13.2 La ecuación dinámica básica para el flujo de fluidos estable unidimensional 659
13.3 Propiedades prácticas en flujo de fluidos 663
13.3.1 Medición de propiedades en flujo de fluidos 668
13.4 Relaciones básicas para el flujo de fluido estable unidimensional 671
13.5 Aplicaciones de las relaciones básicas 672
13.6 Flujo en boquillas y difusor-flujo reversibles adiabáticos 674
13.6.1 Caso especial: gas ideal 680
13.6.2 Caso especial: gas ideal con calores específicos constantes 681
13.7 Flujo en tuberías-flujo adiabático irreversible en una sección de área constante 691
13.8 Flujo con combustión o transferencia de calor-flujo diabático sin fricción 693
13.9 Choques normales-flujo adiabático irreversible en una sección de área constante 694
13.9.1 Caso especial: gas ideal 695
13.9.2 Caso especial: gas ideal con calores específicos constantes 695
D. Mirando hacia adelante a un modelado más extenso 715
14. Procesos y sistemas de compresión y expansión 719
14.1 Procesos de compresión de flujo estable 720
14.2 Procesos de expansión de flujo estable 728
14.3 Flujo incompresible a través de máquinas 733
14.4 Máquinas dinámicas: turbomáquinas 734
14.4.1 Relaciones básicas de las turbomáquinas 735
14.4.2 Turbomáquinas: compresores y turbinas 737
14.4.3 Turbomáquinas: consideraciones de diseño adicionales 740
14.5 Máquinas de desplazamiento positivo 742
15. Sistemas de potencia 755
15.1 Modelado de turbinas de gas 756
15.1.1 Ciclo de Brayton o ciclo de turbina de gas básico 757
15.1.2 Regeneración en turbinas de gas 763
15.1.3 Interenfriamiento en turbinas de gas 769
15.1.4 Recalentamiento en turbinas de gas 770
15.1.5 Propulsión a chorro con turbinas de gas 772
15.2 Modelado de máquinas de combustión interna reciprocantes 775
15.2.1 Ciclo de Otto de aire estándar 776
15.2.2 Ciclo de Diesel de aire estándar 777
15.2.3 Otros ciclos de potencia de gas 781
15.3 Modelado de plantas de potencia de vapor 782
15.3.1 Ciclo de Rankine 784
15.3.2 Regeneración en plantas de potencia de vapor 788
15.3.3 Recalentamiento en plantas de potencia de vapor 798
15.3.4 Otros ciclos de potencia de vapor 799
15.4 Plantas de ciclo combinado 804
16. Sistemas de refrigeración 827
16.1 Parámetros de rendimiento de refrigeración 828
16.2 Modelado de sistemas de refrigeración de gas: ciclo de Brayton inverso 830
16.3 Modelado de sistemas de refrigeración de vapor: ciclos de compresión de vapor 833
16.4 Refrigeración por absorción 840
16.5 La licuefacción de gases 848
17. Conversión directa de energía 859
17.1 Sistemas de conversión directa de energía 860
17.2 Celdas de combustible 862
17.2.1 Descripción de la operación de la celda de combustible 862
17.2.2 Análisis de la operación de una celda de combustible 866
17.2.3 Rendimiento de la celda de combustible real 868
17.3 Baterías 869
17.3.1 Descripción de la operación de la batería 870
17.3.2 Análisis de la operación de la batería 872
17.4 Otros sistemas de conversión directa de energía 876
17.4.1 Dispositivos fotovoltaicos 876
17.4.2 Dispositivos termoeléctricos 877
17.4.3 Dispositivos termiónicos 879
17.4.4 Dispositivos magnetohidrodinámicos 879
Apéndices 885
I. Dimensiones y unidades 885
II. Nota sobre derivadas parciales 891
III. Tablas y cartas 895
Tabla de contenido para las tablas y cartas 895
Tablas y cartas en unidades SI 898
Tablas y cartas en unidades inglesas 938
Tablas y cartas sin dimensiones 976