Termodinámica / Jaime Velez

CONTENIDO
Capítulo 1. OBJETO Y CARACTERÍSTICA DE LA TERMODINÁMICA
Objeto y característica de la termodinámica Sistema físicos Medio Ambiente. Propiedades de un sistema físico. Interacciones paredes. Paredes. Clasificación de los sistemas teniendo en cuenta la naturaleza de las paredes que la encierran. Variables termodinámicas. Modificaciones y transformaciones. La transformación cíclica. Evolución de un sistema termodinámico. Transformación cuasiestática. Asociación y descomposición de sistemas. Propiedades extensivas e intensivas, Clasificación de los sistemas de acuerdo a sus variables intensivas. Sistema no homogéneo. Sistema Heterogéneo. Sistemas inhomogeneos. Fase. Propiedades termodinámicas. Equilibrio termodinámico Equilibrio térmico. Principio cero Ordenamiento de estados térmicos Medida de la temperatura. La escala de la temperatura del gas ideal y la escala Kelvin. Otras escalas de temperatura Relación entre la temperatura Celsius y Kelvin Escala absoluta Rankine Escala Fahrenheit Ecuación de estado. Coeficientes de dilatación y compresibilidad. Coeficiente de compresibilidad isotérmico. Problemas resueltos.
Capítulo 2. ENERGÍA, CONCEPTO Y CONSECUENCIA
Energía, concepto y consecuencia. Interacciones del trabajo. Sistema termodinámico. Convertibilidad entre diversas formas de trabajo. Interacciones del trabajo adiabático Energía. Primer principio de la termodinámica Expresión integral del primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados. Fluido de trabajo gas ideal. Calor especifico a presión y volumen constante. Expresión del primer principio para sistemas sencillos en términos de variables intensivas T y v T y p. Coeficientes térmicos. Relación de Mayer. Otros coeficientes térmicos. Transformaciones de sistemas gaseosos ideales. Transformación isotérmica. Transformación isobárica. Transformación isocórica. Transformación adiabática. Transformación polítrópica. Ejemplos experimentales de transformaciones análisis y conclusiones Experimento de Joule-Kelvin o del tabique poroso. Consecuencia de la experiencia Joule-Kelvin. Experimento de Joule. Primer principio y los sistemas abiertos. Cálculo de la variación de energía Balance de Masa Primer principio de la termodinámica aplicado a sistemas no estacionarios. Aplicación del primer principio a sistemas cíclicos Maquinas Térmicas Casos particulares de la ecuación de la energía aplicados a dispositivos utilizados en máquinas térmicas.
Capítulo 3. EL CUERPO PURO REAL COMO FLUIDO DE TRABAJO
El cuerpo puro real como fluido de trabajo Estudio experimental del cuerpo puro. Superficie p, v, T para un cuerpo puro real. Proyecciones de la superficie p, v, T. Estudio de las distintas transformaciones sobre la superficie p, v, T. Transformación isotérmica reversible Transformación isobárica reversible, Calidad del vapor Calor sensible. Calor latente Cálculo del calor latente de vaporización y de fusión Punto crítico Gas y Vapor diferencias. Vapor. Gas. Tabla de propiedades termodinámicas y diagramas. Vapor saturado en equilibrio con su líquido. Vapor recalentado. Diagrama T-v y p-v. Estudios de los gases reales. Límite ideal de aplicabilidad de la ecuación de gases ideales. Ecuaciones de estado. Ecuación virial. Ecuación de estado generalizado.
Capítulo 4. SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA
Segundo Principio de la Termodinámica, sentido de la evoluciones de los sistemas físicos alcance del Primer Principio y la necesidad de un Segundo Principio. Segundo Principio. Caso 1: sistema mecánico puro. Caso 2: templado de una pieza de hierro. Caso 3: fusión de un sólido. Caso 4: se disuelve azúcar en agua. Enunciado del Segundo Principio de la Termodinámica. Modificaciones de un sistema aislado. Los sistemas aislados y la realidad Modificaciones reversibles. Formulación matemática del Segundo Principio. Características de "K". Diferentes casos. Variación de la entropía asociada a una modificación irreversible del sistema Casos particulares 87. Cálculo de la variación de Entropía. Ecuaciones fundamentales. Deducción de la primera y segunda ecuación termodinámica útil para el estudio y modificaciones de gases reales. El Segundo Principio y las maquinas térmicas enunciados clásicos. Kelvin - Plank. Clausius Maquina de Carnot Equivalencia de los enunciados de kelvin - Plank y Clausius 92. Aplicación del Segundo principio a las máquinas térmicas Diagramas T-S. Curvas fundamentales y regiones características del diagrama entrópico del agua y por similitud al de otras sustancias puras. Kelvin. Curvas paramétricas. Tablas propiedades termodinámicas del agua líquida y su vapor saturado en equilibrio. Tabla de propiedades termodinámicas del vapor de agua recalentado.
Capítulo 5. EXERGIA
Introducción. Fuentes de Energía. Energía de grado o calidad elevada o calidad baja Energías de grado Ambiente Estado muerto. Energía disponible en proceso cíclicos. Ciclo reversible con fuente térmica finita. Disponibilidad en procesos cerrados no cíclicos Efectividad. Cambio de exergía o disponibilidad en procesos específicos de sistemas cerrados (gas ideal) Calentamiento reversible a presión constante cálculo del cambio de disponibilidad y de exergías específicas. Expansión reversible sotérmica cálculo del cambio de disponibilidad y exergia especifica Expansión adiabática cálculo del cambio de disponibilidad y exergía especifica Cambio de exergía o disponibilidad en procesos específicos de sistemas abierto estacionario. Intercambiador de calor a presión constante entre 2 fluidos Expansión adiabática reversible. Isoentrópica Expansión adiabática irreversible. Compresión adiabática irreversible Segunda ley de exergia análisis de ciclos completos Análisis de acuerdo a la 1 ley Análisis de acuerdo a la 2da. ley.
Capítulo 6. COMBUSTIÓN
Introducción Extensión del Primer principio a sistemas reaccionantes. Ley de Hess. Ejemplos de calores de combustión Ejemplos de calores de formación Ejemplos de calores de reacción Calores de reacción Exotérmicos y Endotérmicos Calores de reacción a temperatura y presión cte, su variación con la temperatura para un sistema sencillo (gas ideal o gas perfecto y fase condensada para) Calculo del aire estequiométrico necesario para la combustión Temperatura de reacción adiabática o temperatura de llama Potenciales termodinámicos Función energía libre de Gibbs Función de energía libre de Hemholtz Procesos espontáneos y no espontáneos Sistemas sencillo caracterizados por un grado de avance e Cálculo de la energía libre de Gibbs para un gas ideal puro. Energía libre molar parcial o Potencial químico Equilibrio de fases equilibrio líquido - vapor Regla de fases. Equilibrio químico en sistema homogéneos gaseosos Efectos de la presión y temperatura sobre Kp y el grado de avance.

Capítulo 7 - Parte 1. CICLO DE MÁQUINAS TÉRMICAS QUE UTILIZAN VAPOR COMO FLUIDOS DE TRABAJO
Procesos de comparación Parámetros característicos. Rendimiento térmico Relación de trabajo Consumo especifico de vapor Ciclo de Carnot Ciclo de Rankine Ciclo de Rankine con sobrecalentamiento Ciclo de Rankine de con sobre y recalentamiento intermedio. Ciclo Regenerativo. Resumen de parámetros de comparación.
Capítulo 7 - Parte 2. CICLOS DE MÁQUINAS TÉRMICAS QUE UTILIZAN GAS COMO FLUIDO DE TRABAJO
Turbina de gas Introducción Ciclo Joule Brayton Componentes del Ciclo de Brayton Análisis Termodinámico del ciclo Joule-Brayton. Clasificación de las Turbinas de gas Según el tipo de ciclo. Turbina de gas de ciclo abierto. Turbina de gas de Ciclo cerrado. Turbina de Gas de Ciclo simple. Turbina de gas de ciclo regenerativo. Análisis termodinámico del ciclo Regenerativo. Según la utilización. Sobrealimentación de los motores de combustión interna. Propulsión aeronáutica Producción de energía eléctrica. Instalación de cogeneración Según el número de ejes. Componentes de turbina de Gas Compresor. Sistema de entrada de aire Cámara de Combustión Turbina de expansión Especificaciones de la turbina de gas Diferentes tipos de álabes refrigerados por aire. Aspectos termodinámicos a tener en cuenta en el estudio de las turbinas de gas. Desviación del Ciclo Ideal de una Turbina de Gas real Ciclo combinado Joule Brayton-Rankine
Capítulo 7 - Parte 3. MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA
La máquina de Stirling Desarrollo histórico. Motores de combustión interna. Introducción. Desarrollo. Ciclo Otto de 4 tiempos. Ciclo Otto teórico a volumen constante. Diferencia del Ciclo Otto teórico y real. Análisis de los parámetros que influyen sobre el rendimiento del ciclo Otto. Motor de combustión interna Diesel de 4 tiempos Diferencias entre el ciclo Diesel Real y Teórico. Cálculos del rendimiento del Ciclo Diesel. Clasificación de los Motores Diesel. Sobrealimentación con compresores Ciclo Diesel con sobrealimentación.
Capítulo 8. COMPRESORES
Compresores. Descripción general del compresor ideal. Compresor de pistón y cilindro Compresión en etapas Espacio nocivo. Rendimiento volumétrico. Cilindro de doble efecto Compresor real. Terminología en compresores de aire de cilindro y pistón Compresores alternativos. Retraso en la apertura de la válvula de admisión Retraso en la apertura de válvula de escape Calentamiento del cilindro. Inestanqueidad de válvula y segmento. Eficiencia de la compresión. Diagrama indicado del compresor real Uso de compresores para proveer el servicio de aire a presión.
Capítulo 9. MÁQUINAS FRIGORÍFICAS
Máquinas Frigoríficas- Técnicas y Sistemas de producción de Frio Clasificación Sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso. Sistemas basados en la elevación de temperatura de un fluido frigorífico (calor sensible). Métodos especiales Coeficientes de efectos frigoríficos. Máquinas frigoríficas de fluidos condensables con ciclos con expansión isoentálpica. Sistemas de multicompresión con refrigeración intermedia Compresión múltiple directa-. Formas de obtener el enfriamiento intermedio en el compresor. Sistemas de compresión múltiple indirecta refrigeración en cascada Expansión múltiple. Ciclo con doble laminación separador de líquido y refrigeración exterior. Ciclo con doble laminación barboteo y refrigeración exterior. Fluidos frigoríficos. Nominación de los refrigerantes. Condiciones que debe cumplir un buen refrigerante Clasificación formal .La calidad ambiental y los refrigerantes Clorofluorcarbonados. Lubricantes.

Clasificación formal La calidad ambiental y los refrigerantes Clorofluorcarbonados Lubricantes.
Capítulo 10. TOBERAS Y DIFUSORES
Toberas y difusores- Introducción- Balance de materia régimen estacionario Balance de energía en régimen estacionario. Balance de Entropía-. Introducción a la dinámica de los fluidos. Ecuación de continuidad- Balance de la cantidad de movimiento- Balance de energía (Primer principio). Combinación de la conservación de la energía mecánica con la expresión del primer principio. Aplicaciones de la ecuación de Bernoulli. Cavitación, Propiedades del fluido en reposo o estancado. Velocidad del sonido. Velocidad del sonido para un gas ideal. Proceso de derrame en toberas y Difusores- Eficiencia isoentrópica del proceso de derrame en toberas y difusores. Análisis de la variación de la superficie perpendicular a la dirección del fluido para derrames acelerados-desacelerados subsónicos y supersónicos en gases ideales Ejercicios de aplicación. Onda de Choque. Curvas de Fanno. Variación de los parámetros característicos de un fluido en un proceso de derrame con onda de choque normal. Curvas de Rayleigh de un gas ideal.
Capítulo 11. AIRE HÚMEDO
Introducción- Gases ideales ecuación de estado. Primer principio Propiedades del gas ideal. Mezcla de Gases ideales Modelo de Dalton y Amagat. Ley de Gibbs Dalton Cambios de estado del agua Aire húmedo o simple aire Definiciones y propiedades del aire húmedo Propiedades termodinámicas del aire húmedo. Temperatura de bulbo húmedo Balance de energía del termómetro de bulbo húmedo en régimen estacionario. Construcción de un diagrama psicrométrico. Acondicionamiento del aire Pulverización de agua con recirculación y calentamiento o enfriamiento Línea de transformación del aire para acondicionar el ambiente de un espacio físico. Aplicaciones Torre de enfriamiento de flujo cruzado. Torres de enfriamiento de flujo a contracorriente. Parámetros de funcionamiento de una torre de enfriamiento. Características a tener en cuenta para seleccionar una torre de enfriamiento. Componentes básicos de una torre de enfriamiento.

Capítulo 12. FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Unidades y Factores de conversión. Introducción. Fenómenos de transferencia de calor. Conducción Ley de Fourier. Ley de Fourier para distintas geometrías básicas. Pared cilíndrica. Convección Ley de enfriamiento de Newton. Radiación Ley de Boltzmann. Perdida de Calor o frio de una tubería recubierta con aislante que transporta fluido. Deducción de la ecuación general de la energía para sistemas transientes. Solución de la ecuación diferencial de Fourier -Biot para la transferencia de calor en una dirección. Análisis de sistemas no estacionarios con flujo de calor en una dirección.

Capítulo 13. TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN
Introducción Formas de transferencias de calor y las leyes que la gobiernan. Flujo de la capa de fluido en contacto con un sólido Caracterización del estado dinámico de un fluido en movimiento. Convección natural Convección forzada. Convección Forzada Análisis dimensional Teorema de Buckingham o teorema de PI Flujo en el interior de tubos. Convección natural Convección forzada Convección forzada laminar en el interior de tubos Convección forzada en el interior de tubos lisos Flujo turbulento Analogía entre transferencia de cantidad de movimiento(no Sherwood)y calor (Nu) Calentamiento y enfriamiento fluidos en el exterior de tubos Cálculo del flujo de calor transmitido por la aleta Ecuaciones de balance de energía para aletas de sección uniforme Parámetros característicos de un conjunto de aletas arregladas en un tubo intercambiador de calor Banco de tubos aleteados flujo externo Condensación de vapores Mecanismos de condensación gota y película. Temperatura madia logarítmica. Correlación propuesta del coeficiente pelicular de transferencia de calor para la condensación de vapores Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor en un condensador de vapor de agua. Calculo del coeficiente pelicular de transferencia de calor exterior e interior a los tubos donde el vapor se condensa. Evaporación en el interior de tubos fluidos refrigerantes Mecanismo de transferencia de calor para la ebullición del agua a 1 atm Coeficiente pelicular de transferencia de calor para ebullición nucleada.
Capítulo 14. TRANSMISIÓN DEL CALOR ENTRE FLUIDOS EN MOVIMIENTOS
Transmisión del calor entre dos fluidos en movimiento Intercambiador de calor de doble tubo. Calculo del coeficiente global de transferencia de calor. Verificación de la caída de presión para la selección del arreglo serie-paralelo de horquillas. Intercambiadores de tubo y Coraza. Coeficientes Globales de intercambio térmico típicos de intercambiadores de tubo y coraza.
Capítulo 15. TRANSMISIÓN DEL CALOR POR RADIACIÓN
Transmisión de calor por radiación Introducción. Cuerpo negro. Variación de la potencia emisiva de un cuerpo negro a T=cte. Espectro de absorción de la atmósfera terrestre Dependencia angular de la emisividad, factor de visión o de forma Intercambio de energía entre dos cuerpos negros a temperaturas T1 y T2 Radiación neta entre dos superficies.

Este libro condensa el trabajo educacional del grupo de docentes de la cátedra de Termodinámica de la carrera de Ingeniería Mecánica de la UTN Facultad Regional Santa Fe enriquecida con el aporte en su momento de quienes colaboraron en los cambios de lenguaje del texto manual al computacional, Ing. Matias Pozzi, Ing. Alejandro Albanesi, Ing. Sebastian Russillo. También merece indicarse la constancia y seguimiento para que este libro se editara del Ing. Julian Gonzalez así como la dedicación al pulido del texto, tablas y diagramas asociados del Ing. Daniel Blanco (Texto extraído del Prólogo)