Fundamentos de termodinmica t©cnica primer tomo – m. j. moran & h. n....

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Termodinámica. Ciclos.

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  • 1. M .J. M O R A N H .N . S H A P IR O Fundamentos de TERM ODINM ICA TCNICA P r i m e r t o m o EDITORIAL REVERTE, S.A. Barcelona-Bogot-Buenos Aires-Caracas-M xico www.FreeLibros.me

2. 1 2 5 8 13 18 24 31 32 33 49 54 58 69 79 80 81 88 103 ll 135 136 143 149 170 XI NDICE ANALTICO TOMO 1 Conceptos introductorios y definiciones 1.1 Sistemas termodinmicos 1.2 Propiedades, estados, procesos y equilibrio 1.3 Unidades para masa, longitud, tiempo y fuerza 1.4 Volumen especfico y presin 1.5 Temperatura 1.6 Metodologa para resolver problemas de Termodinmica La energa y el primer principio de la Termodinmica 2.1 Concepto mecnico de la energa 2.2 Energa transferida mediante trabajo 2.3 Energa de un sistema 2.4 Transferencia de energa mediante calor 2.5 El balance de energa en sistemas cerrados 2.6 Anlisis energtico de ciclos Propiedades de una sustancia pura, simple y compresible 3.1 El principio de estado 3.2 La relacin p-v-T 3.3 Valores de las propiedades termodinmicas 3.4 La relacin p-v-T para gases 3.5 El modelo de gas ideal Anlisis energtico de sistemas abiertos 4.1 Conservacin de la masa para un volumen decontrol 4.2 Conservacin de la energa para un volumen de control 4.3 Anlisis de volmenes de control en estado estacionario 4.4 Anlisis de transitorios www.FreeLibros.me 3. XII ndice analtico Captulos El segundo principio de la Termodinmica 191 5.1 Introduccin 192 5.2 Formulaciones del segundo principio 195 5.3 Procesos reversibles e irreversibles 197 5.4 Corolarios del segundo principio para ciclos termodinmicos 205 5.5 La escala Kelvin de temperatura 211 5.6 Medidas del rendimiento mximo para ciclos de potencia, refrigeracin y bomba de caloroperando entre dos reservnos 214 5.7 El ciclo de Camot 220 Captulo 6 Entropa 231 6 .1 La desigualdad de Clausius 232 6.2 Definicin del cambio de entropa 234 6.3 Entropa de una sustancia pura, simple y compresible 236 6.4 Cambio de entropa en procesos internamente reversibles 246 6.5 Balance de entropa para sistemas cerrados 250 6.6 Balance de entropa para volmenes de control 265 6.7 Procesos isoentrpicos 273 6.8 Rendimientos isoentrpicos de turbinas, toberas, compresores y bombas 2 8 1 6.9 Transferencia de calor y trabajo en procesos de flujo estacionario internamente reversibles 290 Captulo 7 Anlisis exergtico 307 7.1 Introduccin 308 7.2 Exerga 309 7.3 Balance de exerga para sistemas cerrados 318 7.4 Exerga de flujo 331 7.5 Balance de exerga para volmenes de control 335 7.6 Eficiencia termodinmica 342 Apndice Tablas y figuras 359 Indice de tablas en unidades SI 359 Indice de figuras 403 Nomenclatura 415 Respuestas a algunos problemas 419 ndice alfabtico 423 www.FreeLibros.me 4. CAPTULO 1 CONCEPTOS INTRODUCTORIOS Y DEFINICIONES La palabra Termodinmica procede de las palabras del griego therme (calor) y dynamis (fuer/a). Aunque varios aspectos de lo que ahora se conoce como Termodinmica han si do objeto de inters desde la antigedad, el estudio formal de la Termodinmica empez en los comienzos del siglo XIX a partir de las consideraciones sobre la potencia motriz del calor: la capacidad de los cuerpos calientes para producir trabajo. Hoy su alcance es mucho mayor, teniendo que ver, en general, con la energa y con las relaciones entre las propiedades de la materia. La Termodinmica es tanto una rama de la Fsica como una ciencia de la Ingeniera. El cientfico est normalmente interesado en alcanzar una comprensin de los funda mentos del comportamiento fsico y qumico de la materia en reposo y en cantidades determinadas y utiliza los principios de la Termodinmica para relacionar sus propie dades. Los ingenieros estn interesados, en general, en estudiar los sistemas y cmo stos interaccionan con su entorno', y para facilitar esta tarea extienden el objeto de la Termo dinmica al estudio de sistemas a travs de los cuales fluye materia. Los ingenieros utilizan los principios derivados de la Termodinmica y otras ciencias de la ingeniera, tales como la Mecnica de fluidos y la Transferencia de calor y masa, para analizar y disear objetos destinados a satisfacer las necesidades humanas. El vasto campo de aplicacin de estos principios se muestra en la Tabla 1.1, que recoge algunas de las reas en las que la Termodinmica tcnica es importante. Los ingenieros buscan perfeccionar los diseos y mejorar el rendimiento, para obtener como consecuencia el aumento en la produccin de algn producto deseado, la reduccin del consumo de un recurso escaso, una disminucin en los costes totales o un menor impacto ambiental. Los principios de la Termodinmica juegan un papel importante a la hora de alcanzar estos logros. El objetivo de este captulo es introducir al estudiante en algunos de los conceptos y definiciones fundamentales que utilizaremos en nuestro estudio de la Termodinmica tcnica. En la mayor parte de los casos la introduccin es breve, dejando para captulos posteriores una exposicin ms amplia. www.FreeLibros.me 5. Conceptos introductorios y definiciones SISTEMAS TERMODINMICOS Una etapa importante de cualquier anlisis de ingeniera consiste en describir con preci sin lo que va a ser estudiado. En Mecnica, si se pretende determinar el movimiento de un cuerpo, el primar paso consiste normalmente en definir un cuerpo Ubre e identificar todas las fuerzas que otros cuerpos ejercen sobre l. Despus se aplica la segunda ley de Newton para el movimiento. En Termodinmica se utiliza el trmino sistema para identificar el objeto de nuestro anlisis. Una vez que el sistema est definido y se han identificado las interacciones relevantes con otros sistemas, es el momento de aplicar una o ms leyes fsicas o relaciones. Un sistema es cualquier cosa que deseemos estudiar, algo tan simple como un cuerpo libre o tan complejo como una refinera petroqumica completa. Podemos querer estudiar la cantidad de materia contenida dentro de un tanque cerrado por paredes rgidas o bien considerar algo como una tubera de gas a travs de la cual fluye materia. Incluso el va co, que no contiene materia, puede ser objeto de inters. La composicin de la materia en el interior del sistema puede ser fija o puede cambiar mediante reacciones qumicas o nucleares. La forma o volumen del sistema analizado no es necesariamente constante, como sucede con un cilindro que contiene gas y es comprimido por un pistn o con un globo cuando se hincha. TABLA 1.1 rea especficas de aplicacin de la T erm odi nm ica tcnica M o t o r e s d e a u t o m o c i n T u r b i n a s C o m p r e s o r e s , b o m b a s C e n t r a l e s e l c t r i c a s d e c o m b u s t i b l e fs il y n u c l e a r S i s t e m a s d e p r o p u l s i n p a r a a v i o n e s y c o h e t e s S i s t e m a s d e c o m b u s t i n S i s t e m a s c r i o g n i c o s , d e s e p a r a c i n y l i c u e f a c c i n d e g a s e s S i s t e m a s d e c a l e f a c c i n , v e n t i l a c i n y a i r e a c o n d i c i o n a d o R e f r i g e r a c i n p o r c o m p r e s i n d e v a p o r y a b s o r c i n B o m b a s d e c a l o r S i s t e m a s d e e n e r g a s a l t e r n a t i v a s C l u l a s d e c o m b u s t i b l e D i s p o s i t i v o s t e r m o e l c t r i c o s y t e r m o i n i c o s C o n v e r t i d o r e s m a g n e t o h i d r o d im m i c o s S i s t e m a s s o l a r e s a c t i v o s d e c a l e f a c c i n , e n f r i a m i e n t o y g e n e r a c i n d e e l e c t r i c i d a d S i s t e m a s g e o t r m i c o s G e n e r a c i n d e e l e c t r i c i d a d m e d i a n t e o l a s , m a r e a s y d e s e q u i l i b r i o t r m i c o o c e n i c o G e n e r a c i n c l i c a d e e l e c t r i c i d a d A p l i c a c i o n e s b i o m d i c a s S i s t e m a s d e a p o y o a la v i d a O r g a n o s a r t i f i c i a l e s www.FreeLibros.me 6. Conceptos introductorios y definiciones 3 Cualquier cosa exlcrna al sistema se considera una parte del entorno de 1sistema. Id sistema se distingue de su entorno, o alrededores, por un lmite especfico. Va frontera que puede estar en reposo o en movimiento. Veremos que las interacciones entre un sistema y su entorno, que tienen lugar a travs de dicha frontera, juegan un papel importante en la Termodinmica tcnica, siendo esencial que la frontera est definida cuidadosamente antes de proceder a cualquier anlisis termodinmico. Sin embargo, puesto que los mis mos fenmenos fsicos pueden ser analizados a menudo en trminos de diferentes elecciones de sistema, frontera y entorno, la eleccin de un determinado lmite para defi nir un sistema concreto estar condicionada por aquello que nos permita el correspon diente anlisis de acuerdo con nuestro inters. 1.1.1 Tipos de sistemas A lo largo del libro se distinguirn dos tipos bsicos de sistemas. A ellos nos referiremos respectivamente como sistemas cerrados y volmenes de control. Un sistema cerrado consiste en una cantidad fija de materia, por lo que tambin recibe el nombre de masa de control, mientras que un volumen de control o sistema abierto es una regin del espacio a travs de la cual puede fluir masa. Un sistema cerrado scTrTrncTcomo una cantidad determinada de materia. Dado que un sistema cerrado contiene siempre la misma materia, esto implica que no hay trans ferencia de masa a travs de su frontera. Un sistema aislado es un tipo especial de sistema cerrado que no interacciona en ninguna forma con el entorno. La Fig. l.l muestra un gas en un dispositivo cilindro-pistn. Consideraremos al gas como un sistema cerrado. La frontera se sita exactamente junto a las paredes internas del dispositivo cilindro-pistn, como muestran las lneas de puntos de la figura. Si el cilindro se colocara sobre una llama, el gas se expandira elevando el pistn. La parte de frontera entre el gas y el pistn se mueve con ste. No hay masa cruzando ni sta ni cualquier otra parte de la frontera. El anlisis termodinmico sobre dispositivos tales como bombas y turbinas a travs de los que fluye masa se har en sucesivas secciones de este libro. Estos anlisis pueden hacer