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1 Page 1 of 7 UN PANORAMA DE LA TERMODINÁMICA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR Por F. A. Kulacki Profesor de ingeniería mecánica Laboratorio de Termodinámica y Transferencia de Calor Departamento de Ingeniería Mecánica University of Minnesota Twin Cities Ayudas visuales para el instructor Número de Módulo (F A Kulacki) Módulo 1: Energía, calor y trabajo. Introducción a los principios y aplicaciones de la termodinámica macroscópica en la ingeniería. Módulo 2: Estado y procesos de equilibrio Contenido Panorama general: la termodinámica en la ingeniería. Descripción macroscópica versus microscópica de la materia El punto de vista macroscópico Sistemas, estados de los sistemas, y cambios de estado por las interacciones energéticas Sistemas abiertos y cerrados Conceptos clave y temas Clases de propiedades Ecuación de estado y la superficie de estado Procesos y ciclos Procesos y estados de equilibrio El proceso cuasiestático Ejemplos: un proceso de calentamiento y un ciclo de potencia de vapor Çengel/Boles: Ingeniería termodinámica, 4/e McGraw-Hill, 2002 [CAPÍTULO <#> MÓDULO <#> están escritos en el texto de Çengel/Boles por capítulo] Capítulo 1 Módulo 1 Energía, calor y trabajo: introducción a la termodinámica macroscópica Capítulo 1 Módulo 2 Estados y procesos de equilibrio Current Date: 08/18/a 1

2 Page 2 of 7 Módulo 3: Aplicación del principio de equilibrio. Ley Zeroth de la termodinámica, el calor y la temperatura Módulo 4: Trabajo Módulo 5: La primera ley de la termodinámica Módulo 6: Balance de energía para sistemas cerrados. La primera ley y el calor Módulo 7: Trabajo cíclico. El equivalente mecánico del calor Módulo 8: Análisis de los ciclos de energía Temperatura y calor Definición calórica de la temperatura La Ley Zeroth de la termodinámica Medida de la temperatura termometría y escalas de temperatura Procesos y sistemas de interacción con el ambiente Definición general del trabajo: trabajo mecánico Trabajo en un sistema en la frontera: transferencia de trabajo Evaluación de la transferencia de trabajo en un sistema en la frontera Trabajo en un proceso de expansión: trabajo p- dv Trabajo adiabático Equivalencia de procesos adiabáticos Enunciado de la primera ley La función de energía interna Definición del calor por medio de la primera ley: el resultado de procesos no adiabáticos Balances de energía: ejemplos Procesos cíclicos: la equivalencia del calor y el trabajo cíclicos Resultados de la primera ley El equivalente mecánico del calor: el experimento de Joule Procesos cíclicos Procesos cíclicos cuasiestáticos: análisis de la primera ley y la equivalencia del calor y el trabajo cíclicos Ciclos productores de trabajo Capítulo 1 Módulo 3 Aplicación del principio de equilibrio Capítulo 3 Módulo 1 Trabajo Capítulo 4 Módulo 1 Capítulo 4 Módulo 2 Capítulo 4 Módulo 3 Capítulo 4 Módulo 4 Current Date: 08/18/a 2

3 Page 3 of 7 Ciclos consumidores de trabajo Análisis del ciclo general: interacciones térmicas con el ambiente Eficiencia térmica basada en la primera ley Módulo 9: Evaluación de las propiedades termodinámicas. La superficie P-V-T del agua Módulo 10: Aspectos adicionales de la superficie P- V-T del agua Módulo 11: Ecuaciones de estado para gases Módulo 12: Procesos que involucran gases ideales Módulo 13: Análisis 1 de sistemas abiertos: conservación de la masa El principio de estado: descripción del estado termodinámico Sistemas simples compresibles Superficies P-v-T La superficie P-v-T del agua Equilibrio de calidad y vapor líquido Características generales de la superficie P-v-T del agua La región de punto crítico La región de líquido comprimido Entalpía Calores específicos: C p y C v Definición de gas El gas ideal: relación P-v-T La constante universal de gas Energía interna y entalpía de un gas ideal Calor específico de un gas ideal El gas perfecto Gases reales: el factor de compresibilidad Procesos politrópicos: cálculo del trabajo efectuado Procesos a presión constante Sistemas abiertos Flujo estable e inestable en volumen de control El principio de balance general: formulación por partes El principio de balance general: formulación integral Conservación de la masa: forma integral Capítulo 2 Módulo 1 Capítulo 2 Módulo 2 Capítulo 2 Módulo 3 Capítulo 3 Módulo 2 Capítulo 3 Módulo 3 Análisis 1 de sistemas abiertos: conservación de la masa Current Date: 08/18/a 3

4 Page 4 of 7 Velocidades promedio Módulo 14: Análisis 2 de sistemas abiertos: conservación de la energía, formulación por partes Módulo 15: Análisis 3 de sistemas abiertos: conservación de la energía, formulación integral Módulo 16: Componentes 1 de sistemas de energía. Inyectores y difusores Módulo 17: Componentes 2 de sistemas de energía. Dispositivos estranguladores Flujo de energía en una superficie de control Aplicación de la primera ley Flujo de trabajo El principio de balance general Consideraciones generales para la forma integral del balance de energía: energía de convección y flujo de trabajo en la superficie de control El balance integral de energía Forma de entalpía del balance integral de energía Inyectores: suposiciones clave y el balance de energía para una operación adiabática y diabática. Difusores. Suposiciones clave y balance de energía para operación adiabática y diabática. Principio de operación Balance de energía Capítulo 4 Módulo 5 Análisis 2 de sistemas abiertos: conservación de la energía, formulación parcial Capítulo 4 Módulo 6 Análisis 3 de sistemas abiertos: conservación de la energía, formulación integral Capítulo 4 Módulo 7 Dispositivos de ingeniería de flujo estable y difusores Capítulo 4 Módulo 8 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: dispositivos estranguladores Módulo 18: Bombas y compresores Módulo 19: Componentes 4 de sistemas de energía. Turbinas Módulo 20: Componentes 5 de sistemas de energía: intercambiadores de calor Compresores Bombas Principios básicos de operación Suposiciones para el análisis de turbinas Ecuaciones de conservación Tipos genéricos de intercambiadores de calor Análisis general del tubo y concha intercambiadores de calor Análisis general del intercambiador de calor con fluidos mezclados Capítulo 4 Módulo 9 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: bombas y compresores Capítulo 4 Módulo 10 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: turbinas Capítulo 4 Módulo 11 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: intercambiadores de calor Current Date: 08/18/a 4

5 Page 5 of 7 Módulo 21: Procesos transitorios Módulo 22: La segunda ley de la termodinámica-1 La dirección de los procesos físicos Módulo 23: La segunda ley de la termodinámica-2. Observaciones adicionales acerca de la naturaleza de los procesos y ciclos Módulo 24: La segunda ley de la termodinámica-3. Equivalencia de los enunciados de Kelvin-Planck de la segunda ley Llenado de un contenedor cerrado Balances de masa y energía Sistemas evacuados inicialmente Sistemas con masa inicial Expansión-compresión restringida adiabática de los gases- aplicación de la primera ley y la de Zeroth Cuestiones importantes acerca del regreso al estado de equilibrio inicial Expansión de un gas con transferencia de trabajo; aplicación de la primera ley y la de Zeroth Cuestión importante acerca de la recuperación del trabajo transferido durante la expansión Otros procesos naturales Experiencias comunes Una conjetura general acerca de la existencia de un principio natural pertinente a los procesos naturales Algunas características generales acerca de procesos espontáneos o naturales. Expansiones no restringidas; expansión con trabajo externo; y transferencia estable de calor sin transferencia de trabajo Extrapolación de las ideas fundamentales Máquinas cíclicas de calor. Eficiencia de la primera ley y la necesidad de la eliminación de calor. Bases observacionales de la segunda ley Enunciado de Clausius de la segunda ley Enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley Enunciado de Clausius Enunciado de Kelvin-Planck Equivalencia Consistencia interna de los dos enunciados de la segunda ley Capítulo 4 Módulo 12 Balance de energía para procesos de flujo inestable Capítulo 5 Módulo 1. Introducción a la Segunda Ley La dirección de los procesos físicos Capítulo 5 Módulo 2 La segunda ley de la termodinámica Observaciones adicionales acerca de la naturaleza de los procesos y ciclos Capítulo 5 Módulo 3 La segunda ley de la termodinámica Equivalencia de los enunciados de Kelvin-Planck Current Date: 08/18/a 5

6 Page 6 of 7 Módulo 25: Procesos reversibles e irreversibles La segunda ley, en breve Consecuencias de la segunda ley Procesos reversibles Procesos irreversibles Condición para la reversibilidad Procesos interna y externamente reversibles Ejemplos: expansión libre de un gas, fusión del hielo y la transferencia estable de calor La prueba de la irreversibilidad Capítulo 5 Módulo 4 La segunda ley de la termodinámica- Procesos reversibles e irreversibles Módulo 26: Ciclos reversibles. El ciclo de carnot. Ciclos de potencia y el enunciado de Kelvin- Planck de la segunda ley Qué es un ciclo de potencia reversible y cómo se mide su rendimiento? El ciclo de Carnot: un ciclo reversible por completo Capítulo 5 Módulo 5 La segunda ley de la termodinámica- Ciclos Reversibles- El ciclo de Carnot Módulo 27: Análisis del ciclo de carnot Módulo 28: Entropía: la propiedad determinada por la segunda ley Módulo 29: Las ecuaciones T-dS Los procesos del ciclo de Carnot Primer corolario de Carnot Segundo corolario de Carnot Refrigeradores y bombas de calor Escala Kelvin de temperatura Ejemplos El ciclo de Carnot Corolarios de Carnot El teorema de Clausius Entropía y la segunda ley El teorema de Clausius Entropía Analogía entre la primera ley y la segunda Las ecuaciones T-dS Capítulo 5 Módulo 6 Segunda ley de la termodinámica Análisis del ciclo de Carnot Capítulo 5 Módulo 7 La segunda ley de la termodinámica- Principios de Carnot Capítulo 6 Módulo 2 Entropía Módulo 30: Irreversibilidad Irreversibilidad Capítulo 6 Módulo 2 Current Date: 08/18/a 6

7 Page 7 of 7 Incremento del principio de entropía Módulo 31: La desigualdad de Clausius Entropía El incremento del principio de entropía La desigualdad de Clausius Ejemplos Módulo 32: Balances de entropía para sistemas cerrados Módulo 33: Balances de entropía para Sistemas abiertos Módulo 34: Comentario sobre la segunda ley Entropía e irreversibilidad La desigualdad de Clausius Balances de entropía para sistemas cerrados Producción de entropía Repaso de los conceptos clave Ejemplos Eficiencia isentrópica Balances de entropía para sistemas abiertos Uso de las ecuaciones T-ds Balances de entropía Eficiencia isentrópica; turbinas y compresores Disponibilidad; breve introducción La irreversibilidad y el incremento del principio de entropía Capítulo 6 Módulo 3 Entropía La desigualdad de Clausius Capítulo 6 Módulo 4 Entropía El balance de entropía para sistemas cerrados Capítulo 6 Módulo 5 Entropía Balance de entropía para sistemas abiertos Capítulo 6 Módulo 6 Entropía; eficiencia isentrópica y breve introducción a la disponibilidad (End of Instructor s Visual Aids at Module 34) Current Date: 08/18/a 7

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