2. LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Transcripción

1 1. CONCEPTOS BÁSICOS Y DEFINICIONES l. 1. Naturaleza de la Termodinámica 1.2. Dimensiones y unii2acles 1.3. Sistema, propiedad y estado 1.4. Densidad, volumen específico y densidad relativa 1.5. Presión 1.6. Ley cero y temperatura 1.7. Técnicas de resolución de problemas LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA Conceptos de trabajo y energía La primera ley de la Termodinámica Principio de conservación de la energía para sistemas cerrados Naturaleza de la energía E Transferencia de calor Trabajo de expansión y compresión Trabajo de un muelle elástico Otras formas de trabajo cuasiestático 3. PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA PURA, SIMPLE COMPRESIBLE El postulado de estado y sistemas simples Superficie PvT Diagrama presión-temperatura Diagrama presión-volumen específico Diagrama temperatura-volumen específico Tablas de propiedades de sustancias puras Datos de las tablas y análisis energético de un sistema cerrado Las capacidades térmicas específicas Apéndice: Fundamentos de las derivadas parciales

2 viii CONTENIDO 4. LOS MODELOS DE GAS IDEAL, DE ESTADOS CORRESPONDIENTES Y DE SUSTANCIA INCOMPRESIBLE 4.1. Ecuación de estado de gas ideal 4.2. Relaciones entre la energía interna, la entalpía y las capacidades térmicas específicas de los gases ideales 4.3. Capacidades térmicas específicas de los gases ideales 4.4. Análisis energético de sistemas cerrados que obedecen al modelo de gas ideal 4.5. El factor de compresibilidad y el principio de los estados correspondientes 4.6. Relaciones entre propiedades para sustancias incompresible~ ANÁLISIS ENERGÉTICO DE VOLÚMENES DE CONTROL Introducción Principio de conservación de la masa para un volumen de control Principio de conservación de la energía para un volumen de control Ecuaciones de la energía para un volumen de control en régimen estacionario Comentarios sobre las técnicas de resolución de problemas Aplicaciones de ingeniería en las que aparecen volúmenes de control en régimen estacionario Introducción a los ciclos termodinámicos Análisis de flujos transitorios (no estacionarios) 6.1. Tntroducción 6.2. Motores térmicos, máquinas frigoríficas y bombas de calor 6.3. Enunciados de la segunda ley 6.4. Procesos reversibles e irreversibles 6.5. Segunda ley y entropía. Presentación clásica 6.6. Segunda ley y entropía. Presentación alternativa 6.7. Balance de entropía en volúmenes de control 6.8. Principio del incremento de entropía para sistemas cerrados 6.9. Limitaciones debidas a la segunda ley en las actuaciones de motores térmicos, máquinas frigoríficas y bombas de calor Transferencia de calor y diagrama TS Aplicaciones La entropía en función de la aleatoriedad y de la probabilidad

3 7. ~ÁLCULO DE VARIACIONES DE ENTROPÍA Y BALANCE DE ENTROPIA EN UN VOLUMEN DE CONTROL 7.1. Presentación en forma gráfica y de tablas de los datos de entropía 7.2. Ecuaciones T ds para sustancias puras, simples compresibles 7.3. Variación de entropía de un gas ideal 7.4. Variación de entropía de una sustancia incompresible 7.5. Aplicación del balance de entropía a un volumen de control en régimen estacionario 7.6. Expresiones del trabajo en régimen estacionario AI~GUNAS CONSECUENCIAS DE L.4 SEGUNDA LEY Procesos isoentrópicos Rendimientos adiabáticos de dispositivos en régimen estacionario 8.3. El ciclo de Carnot 8.4. El proceso no estacionario de descarga adiabática EXERGIA (DISPONIBILIDAD) E IRREVERSIBILIDAD 9.1. Introducción 9.2. Trabajo y producción de entropía 9.3. Exergía 9.4. Análisis exergético de un volumen de control 9.5. Rendimiento exergético o efectividad MEZCLAS NO REACTIVAS DE GASES IDEALES Análisis de la composición de las mezclas de gases Relaciones PvT para mezclas de gases ideales Energía interna, entalpía y entropía de mezclas de gases ideales Procesos de mezcla de gases ideales Propiedades de una mezcla de un gas ideal y un vapor Temperatura de saturación adiabática y temperatura de bulbo húmedo El diagrama psicrométrico Procesos de acondicionamiento de aire 1 1. COMPORTAMIENTO PvT DE LOS GASES REALES Y DE LAS MEZCLAS DE GASES REALES La ecuación de estado del virial Ecuaciones de estado con dos constantes

4 11.3. Otras ecuaciones de estado Mezclas de gases reales Lecturas recomendadas y referencias 12. RELACIONES TERMODINÁMICAS GENERALIZADAS Fundamentos de derivadas parciales Algunas relaciones fundamentales entre propiedades Relaciones generalizadas para las variaciones de entropía, energía interna y entalpía Relaciones generalizadas para c,, y c, Presión de vapor y ecuación de Clapeyron Coeficiente de Joule-Thomson Diagramas termodinámicos generalizados Elaboración de las tablas de propiedades Estequiometría de las reacciones Procesos reales de combustión Entalpía de formación Análisis energético de mezclas reactivas en régimen estacionario Temperatura de combustión adiabática Análisis termoquímico a volumen constante Entalpía de reacción y poderes caloríficos Estudio de las reacciones mediante la segunda ley Análisis exergético de sistemas reactivos Pilas de combustible Introducción El criterio de Gibbs Equilibrio y potencial químico El potencial químico de un gas ideal Las constantes de equilibrio K, y K,, Cálculo de los valores de K, Cálculo de la composición de equilibrio Análisis de la primera ley aplicada a mezclas de gases ideales en equilibrio La ecuación de Van't Hoff que relaciona K,, y Alz, Reacciones simultáneas CICLOS DE POTENCIA DE GAS Ciclo de aire estándar Ciclo de Carnot con aire estándar

5 15.3. Nomenclatura básica de los dispositivos alternativos El ciclo Otto con aire estándar El ciclo Diese1 de aire estándar y el ciclo dual El ciclo Brayton de aire estándar Efecto de las irreversibilidades del compresor y de la turbina El ciclo regenerativo de la turbina de gas Procesos de refrigeración intermedia y recalentamiento Ciclos de turbina de gas con refrigeración intermedia y recalentamiento 1 S Análisis exergético de un ciclo de turbina de gas Turbinas de gas para propulsióil por chorro Ciclos de turbina de gas de ciclo cerrado Los ciclos Ericsson y Stirling CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR El ciclo Rarikine El ciclo con recalentamiento El ciclo regenerativo Sistemas de cogeneración El ciclo combinado Aplicaciones de los ciclos de vapor Análisis exergético de un ciclo de potencia de vapor simple El ciclo de Carnot inverso El ciclo de refrigeración por compresión de vapor Bombas de calor Sistemas de refrigeración por compresión de vapor en cascada y multietapa Licuación y solidificación de gases Ciclos de refrigeración con gas Ciclo Stirling de refrigeración Refrigeración por absorción Análisis exergético del ciclo de refrigeración por compresión de vapor A. 1. TABLAS Y FIGURAS COMPLEMENTARIAS (UNIDADES SI) Tabla A. 1. Tabla A.2. Constantes físicas y factores de conversión Masa molar, constantes críticas y capacidades térmicas específicas de gases a 25 "C y 1 atm para algunas sustancias comunes

6 Tabla A.3. Capacidades térmicas específicas de gas ideal para gases seleccionados, kj/kg K Tabla A.4. Capacidades térmicas específicas de algunos 1íquidos y sólidos comunes Tabla A.5. Propiedades de gas ideal del aire Tabla A.6. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del nitrógeno diatómico (N,) Tabla A.7. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del oxígeno diatómico (0,) Tabla A.8. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de Tabla A.9. gas ideal del monóxido de carbono (CO) Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del dióxido de carbono (CO,) Tabla A.lO. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del agua (H,O) Tabla A. 11. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del hidrógeno diatómico (H2), oxígeno monoatómico (O) e hidroxilo (OH) Tabla A. 12. Propiedades del agua en saturación: tabla de temperatura Tabla A. 13. Propiedades del agua en saturación: tabla de presión Tabla A. 14. Propiedades del agua: tabla del vapor sobrecalentado Tabla A. 15. Propiedades del agua: tabla del líquido comprimido Tabla A. 16. Propiedades del refrigerante 1 34a (CF,H2) en saturación: tabla de temperatura Tabla A. 17. Propiedades del refrigerante 134a (CF,H2) en saturación: tabla de presión Tabla A. 18. Propiedades del refrigerante 134a (CF,H,): tabla de vapor sobrecalentado Tabla A. 19. Propiedades del nitrógeno (N,) en saturación: tablas de temperatura y presión Tabla A.20. Propiedades del nitrógeno (N,): tablas de vapor sobrecalentado Tabla A.2 1. Propiedades termodinámicas del potasio Tabla A.22. Constantes de las ecuaciones de estado de Benedict-Webb-Rubin, Redlich-Kwong y de Van der W aals Tabla A.23. Valores a 25 "C y 1 atm de la entalpía de formación, de la función de Gibbs de formación, de la entropía absoluta y de la entalpía de vaporización Tabla A.24. Logaritrnos en base 10 de la constante de equilibrio K, Figura A.25. Diagrama psicrométrico, unidades métricas, presión barométrica 1,O1 bar Figura A.26. Diagrama de Mollier (hs) para el vapor de agua Figura A.27. Diagrama generalizado de compresibilidad, P, < 1 Figura A.28. Diagrama generalizado de compresibilidad, intervalo de presiones bajas Figura A.29. Diagrama generalizado de compresibilidad, intervalo de presiones altas Figura A.30. Diagrama generalizado de entalpía Figura A.3 1. Diagrama generalizado de entropía Figura A.32. Diagrama temperatura-entropía del refrigerante 134a

7 xiii A.2. TABLAS Y FIGURAS COMPLEMENTARIAS (UNIDADES USCS) Tabla A. 11. Constantes físicas y factores de conversión Tabla A.21. Masa molar, constantes críticas y capacidades térmicas específicas de gases a 77 "F y 1 atm de algunas sustancias comunes Tabla A.31. Capacidades térmicas específicas de gas ideal para gases seleccionados, Btullb, "F. Tabla A.41. Capacidades térmicas específicas de algunos líquidos y sólidos comunes b Tabla A.51. Propiedades de gas ideal del aire Tabla A.61. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del nitrógeno diatómico (N,) Tabla A.71. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del oxigeno diatómico (O,) Tabla A.81. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del monóxido de carbono (CO) Tabla A.91. Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del dióxido de carbono (CO,) Tabla A Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del agua (H,O) Tabla A Entalpía, energía interna y entropía absoluta de gas ideal del hidrógeno diatómico (H,), oxígeno monoatómico (0) e hidroxilo (OH) Tabla A Propiedades del agua en saturación: tabla de temperatura Tabla A Propiedades del agua en saturación: tabla de presión Tabla A Propiedades del agua: tabla del vapor sobrecalentado Tabla A Propiedades del agua: tabla del líquido comprimido Tabla A.161. Propiedades del refrigerante 134a (CF4H2) en saturación: tabla de temperatura Tabla A Propiedades del refrigerante 134a (CF4H2) en saturación: tabla de presión Tabla A Propiedades del refrigerante 134a (CF4H2): tabla de vapor sobrecalentado Tabla A Propiedades del nitrógeno (N,) en saturación: tabla de temperatura y presión Tabla A.201. Propiedades del nitrógeno (N,): tabla de vapor sobrecalentado Tabla A Propiedades termodinámicas del potasio Tabla A.221. Constantes de las ecuaciones de estado de Benedict-Webb-Rubin, Redlich-Kwong y de Van der Waals Tabla A.231. Valores a 77 "F y 1 atm de la entalpía de formación, de la función de Gibbs de formación, de la entropía absoluta y de la entalpía de vaporización Figura A.241. Diagrama temperatura-entropía del dióxido de carbono (CO,)

8 xiv CONTENIDO Figura A.251. Diagrama psicrométrico, unidades USCS, presión barométrica 14,696 psia 1016 Figura A.261. Diagrama de Mollier para el vapor de agua 1017 FACTORES DE CONVERSIÓN Y CONSTANTES FISICAS 1037