337930568 Ingenieria Termodinamica R K Rajput pdf PDF

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INGENIERÍA TERMODINÁMICA 3a. edición (Versión unidades SI )

R.K. RAJPUT Traducción: Ing. Javier León Cárdenas Profesor de Ciencias Básicas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional Revisión técnica: Ing. Enrique Muñoz Díaz Director de las carreras de Ingeniería Mecánica (IMA e IME) Escuela de Diseño, Ingeniería y Arquitectura Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Ciudad de México

Ingeniería termodinámica. 3a. edición Rajput, R.K. Director de producto y desarrollo Latinoamérica:

Director editorial y de producción Latinoamérica: Raúl D. Zendejas Espejel Editor de desarrollo: Sergio R. Cervantes González Coordinadora de producción editorial: Abril Vega Orozco Editor de producción: Omar A. Ramírez Rosas Coordinador de manufactura: Rafael Pérez González Diseño de portada: Mariana Sierra Enríquez Imagen de portada: © Devonyu/Dreamstime.com Composición tipográfica: Overprint, S.A. de C.V.

© D.R. 2011 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning™ es una marca registrada usada bajo permiso. DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Engineering Thermodynamics 3rd ed. SI Units Version Rajput, R.K. Publicado en inglés por Jones and Bartlett Publishers, LLC ©2010 ISBN-13: 978-1-934015-14-8 ISBN-10: 1-934015-14-8 Datos para catalogación bibliográfica: Rajput, R.K. Ingeniería termodinámica. 3a. ed. ISBN: 978-607-481-609-9 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

Impreso en México 1 2 3 4 5 6 7 13 12 11 10

Contenido Capítulo

Páginas

Introducción a las unidades SI y factores de conversión Nomenclatura 1. INTRODUCCIÓN: RESUMEN DE ALGUNOS SISTEMAS DESCRIPTIVOS 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

Planta de energía mediante vapor Planta de energía nuclear Máquinas de combustión interna Turbinas de gas Sistemas de refrigeración Resumen del capítulo Ejercicios

Introducción a la teoría cinética de los gases Definición de termodinámica Sistemas termodinámicos Puntos de vista macroscópico y microscópico Sustancia pura Equilibrio termodinámico Propiedades de sistemas Estado Proceso Ciclo Función puntual Función trayectoria Temperatura Ley cero de la termodinámica El termómetro y la propiedad termométrica Presión Volumen específico Procesos reversibles e irreversibles Energía, trabajo y calor Trabajo reversible Resumen del capítulo Ejercicios

3. PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS 3.1. 3.2. 3.3.

1-14 1 3 4 7 10 12 13

2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. 2.15. 2.16. 2.17. 2.18. 2.19. 2.20.

ix-xvi xvii-xviii

Definición de una sustancia pura Cambio de fase de una sustancia pura Diagrama p-T (presión-temperatura) para una sustancia pura iii

15-64 15 19 19 20 21 21 22 22 22 23 23 23 24 24 25 34 42 46 47 49 59 60 65-102 65 66 68

iv Capítulo 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18.

Páginas Superficie p-V-T (presión-volumen-temperatura) Terminología y definiciones de cambio de fase Diagramas de propiedades de uso común Formación de vapor Términos importantes relacionados con la formación de vapor Propiedades termodinámicas del vapor y tablas de vapor Trabajo externo realizado durante la evaporación Calor latente interno Energía interna del vapor Entropía del agua Entropía de evaporación Entropía de vapor húmedo Entropía de vapor sobrecalentado Gráfica entalpía-entropía (h-s) o diagrama de Mollier Determinación de la calidad del vapor Resumen del capítulo Ejercicios

4. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 4.14. 4.15.

Energía interna Ley de la conservación de la energía Primera ley de la termodinámica Aplicación de la primera ley a un proceso Energía–una propiedad de un sistema Máquina de movimiento perpetuo del primer tipo-PMM 1 Energía de un sistema aislado El gas perfecto Aplicación de la primera ley de la termodinámica a un sistema sin flujo o cerrado Aplicación de la primera ley al proceso de flujo estable Relaciones de energía para el proceso de flujo Aplicaciones de ingeniería de la ecuación de energía de flujo estable (SFEE) El proceso de estrangulación y el experimento de tapón poroso de Joule-Thomson Calentamiento, enfriamiento y expansión de vapores Procesos de flujo inestable Resumen del capítulo Ejercicios

5. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y ENTROPÍA 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6.

Limitaciones de la primera ley de la termodinámica e introducción a la segunda ley Desempeño de las máquinas térmicas y de las máquinas térmicas inversas Procesos reversibles Enunciados de la segunda ley de la termodinámica Máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo Temperatura termodinámica

69 69 70 70 72 74 75 75 75 75 76 76 76 77 91 98 99 103-228 103 103 103 105 105 106 107 107 111 152 154 157 164 185 212 217 218 229-308 229 229 231 231 232 233

v Capítulo 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.11. 5.12. 5.13. 5.14. 5.15. 5.16. 5.17. 5.18. 5.19.

Páginas Desigualdad de Clausius Ciclo de Carnot Teorema de Carnot Corolario del teorema de Carnot Eficiencia de la máquina térmica reversible Entropía Entropía e irreversibilidad Cambio en entropía del universo Diagrama temperatura-entropía Características de la entropía Cambios en entropía para un sistema cerrado Cambios en entropía para un sistema abierto La tercera ley de la termodinámica Resumen del capítulo Ejercicios

6. DISPONIBILIDAD E IRREVERSIBILIDAD 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7. 6.8.

Energía disponible y no disponible Energía disponible referida a un ciclo Disminución en energía disponible cuando se transfiere calor a través de una diferencia finita de temperaturas Disponibilidad en sistemas sin flujo Disponibilidad en sistemas de flujo estable Funciones de Helmholtz y Gibbs Irreversibilidad Efectividad Resumen del capítulo Ejercicios

7. RELACIONES TERMODINÁMICAS 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7.

Aspectos generales Fundamentos de las derivadas parciales Algunas relaciones termodinámicas generales Ecuaciones de entropía (ecuaciones Tds) Ecuaciones para energía interna y entalpía Cantidades medibles Ecuaciones de Clausius-Claperyon Resumen del capítulo Ejercicios

8. GASES IDEALES Y REALES 8.1. 8.2. 8.3. 8.4.

Introducción La ecuación de estado para un gas perfecto Superficie p-v-T de un gas ideal Energía interna y entalpía de un gas perfecto

233 235 237 239 239 254 256 257 259 259 260 266 267 300 301 309-344 309 309 311 313 314 314 315 316 339 340 345-380 345 345 347 348 349 350 357 377 378 381-416 381 381 384 384

vi Capítulo 8.5. 8.6. 8.7. 8.8. 8.9. 8.10. 8.11. 8.12.

Páginas Calor específico de un gas ideal Gases reales Ecuación de Van der Waals Ecuación virial de estado Ecuación de Beattie-Bridgeman Propiedades reducidas Ley de los estados correspondientes Gráfica de compresibilidad Resumen del capítulo Ejercicios

9. MEZCLAS DE GASES Y VAPOR 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7.

Introducción Ley de Dalton y ley de Gibbs-Dalton Análisis volumétrico de una mezcla de gases Peso molecular aparente y constante de los gases Calores específicos de una mezcla de gases Mezclado adiabático de gases perfectos Mezclas de gas y vapor Resumen del capítulo Ejercicios

10. PSICROMETRÍA 10.1. 10.2. 10.3. 10.4. 10.5. 10.6.

Concepto de psicrometría y psicrométrica Definiciones Relaciones psicrométricas Psicrómetros Gráficas psicrométricas Procesos psicrométricos Resumen del capítulo Ejercicios

11. COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN (Incluyendo termodinámica química) 11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.6. 11.7. 11.8. 11.9. 11.10. 11.11

Introducción Clasificación de combustibles Combustibles sólidos Combustibles líquidos Combustibles gaseosos Química básica Ecuaciones de la combustión Aire teórico y aire en exceso Relación estequiométrica aire-combustible (A/C) Relación aire-combustible a partir del análisis de productos Cómo convertir un análisis volumétrico en análisis de peso

385 386 386 395 395 396 397 397 412 412 417-454 417 417 419 420 423 424 425 450 451 455-492 455 455 456 461 462 464 489 490

493-548 493 493 494 495 495 496 497 499 499 500 500

vii Capítulo 11.12. 11.13. 11.14. 11.15. 11.16. 11.17. 11.18. 11.19. 11.20. 11.21. 11.22.

Páginas Cómo convertir un análisis en peso en un análisis volumétrico Peso del carbono en gases de la combustión Peso de los gases de la combustión por kg de combustible quemado Análisis de los gases de escape y de la combustión Energía interna y entalpía de formación Entalpía de formación (ΔHf) Poderes caloríficos de combustibles Determinación de los poderes caloríficos Temperatura adiabática de flama Equilibrio químico Análisis real de la combustión Resumen del capítulo Ejercicios

12. CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR 12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5. 12.6.

Ciclo Carnot Ciclo Rankine Ciclo Rankine modificado Ciclo regenerativo Ciclo de recalentamiento Ciclo binario de vapor Resumen del capítulo Ejercicios

13. CICLOS DE POTENCIA DE GAS 13.1. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. 13.6. 13.7. 13.8. 13.9. 13.10.

Definición de un ciclo Eficiencia de aire estándar El ciclo Carnot Ciclo a volumen constante o ciclo de Otto Ciclo a presión constante o ciclo Diesel Ciclo de combustión dual Comparación de los ciclos de combustión de Otto, Diesel y dual Ciclo Atkinson Ciclo Ericsson Ciclo de una turbina de gas-ciclo Brayton Resumen del capítulo Ejercicios

14. CICLOS DE REFRIGERACIÓN 14.1. 14.2. 14.3. 14.4. 14.5.

Fundamentos de refrigeración Sistema de refrigeración de aire Sistema simple de compresión de vapor Sistema de absorción de vapor Refrigerantes Resumen del capítulo Ejercicios

500 500 501 501 503 506 507 507 512 512 513 543 544 549-610 549 550 563 568 582 590 607 607 611-720 611 611 613 620 636 646 662 664 667 668 713 714 721-786 721 723 738 749 772 779 780

viii Capítulo

Páginas

15. TRANSFERENCIA DE CALOR

787-866

15.1. 15.2. 15.3. 15.4. 15.5.

Modos de transferencia de calor Transferencia de calor por conducción Transferencia de calor por convección Cambiadores de calor Transferencia de calor por radiación Resumen del capítulo Ejercicios

16. FLUJO COMPRESIBLE 16.1. 16.2 16.3. 16.4. 16.5. 16.6. 16.7.

Introducción Ecuaciones básicas del flujo de fluido compresible Propagación de perturbaciones en un fluido y velocidad del sonido Número de Mach Propagación de perturbaciones en un fluido compresible Propiedades de estancamiento Relación área-velocidad y efecto de la variación del área para flujos subsónico, sónico y supersónico 16.8. Flujo de fluido compresible a través de una tobera convergente 16.9. Variables de flujo en términos del número de Mach 16.10. Flujo a través de una tobera Laval (tobera convergente-divergente) 16.11. Ondas de choque Resumen del capítulo Ejercicios

787 789 821 824 841 860 861 867-914 867 867 872 875 876 879 886 888 893 896 902 906 909

• Preguntas de examen

915-930

• Tablas de vapor y diagrama de Mollier (unidades SI)

931-952

• Índice

953-956

Introducción a las unidades SI y factores de conversión A. INTRODUCCIÓN A LAS UNIDADES SI El sistema internacional de unidades, SI, se divide en tres clases: 1. Unidades base 2. Unidades derivadas 3. Unidades complementarias Desde el punto de vista científico, la división de las unidades SI en tres clases es, hasta cierto punto, arbitraria, debido a que no es esencial para la física del tema. No obstante, la General Conference, considerando las ventajas de tener un solo sistema, práctico y global para las relaciones internacionales para la enseñanza y el trabajo científico, decidió basar el sistema internacional sobre una elección de seis unidades bien definidas, como se muestran en la tabla 1: Tabla 1. Unidades SI base Cantidad

Nombre

Símbolo

longitud

metro

m

masa

kilogramo

kg

tiempo

segundo

s

corriente eléctrica

ampere

A

temperatura termodinámica

kelvin

K

intensidad luminosa

candela

cantidad de sustancia

mole

cd mol

La segunda clase de unidades SI contiene unidades derivadas, es decir, unidades que se pueden formar combinando unidades base de acuerdo con las relaciones algebraicas que ligan las cantidades correspondientes. Varias de estas expresiones algebraicas en términos de unidades base se pueden reemplazar por nombres y símbolos especiales y por sí mismas se pueden emplear para formar unidades derivadas. Por lo tanto, las unidades derivadas se pueden clasificar en tres grupos. Algunas de ellas se dan en las tablas 2, 3 y 4.

xi

xii

INGENIERÍA TERMODINÁMICA

Tabla 2. Ejemplos de unidades SI derivadas expresadas en términos de unidades base Unidades SI Cantidad Nombre

Símbolo

área

metro cuadrado

m2

volumen

metro cúbico

m3

rapidez, velocidad

metro por segundo

m/s

aceleración

metro por segundo al cuadrado

m/s2

número de onda

1 por metro

m−1

densidad, densidad de masa

kilogramo por metro cúbico

concentración (de cantidad de sustancia)

mole por metro cúbico

actividad (radioactiva)

1 por segundo

volumen específico

metro cúbico por kilogramo

m3/kg

luminancia

candela por metro cuadrado

cd/m2

kg/m3 mol/m3 s−1

Tabla 3. Unidades SI derivadas con nombres especiales Unidades SI Cantidad

Nombre

Símbolo

Expresión en términos de otras unidades

Expresión en términos de unidades SI base

frecuencia

hertz

Hz

—

s−1

fuerza

newton

N

—

m.kg.s−2

presión

pascal

Pa

N/m2

m−1.kg.s−2

energía, trabajo, cantidad de potencia térmica

joule

J

N.m

m2.kg.s−2

cantidad de flujo radiante de electricidad

watt

W

J/S

m2.kg.s−3

carga eléctrica

coulomb

C

A.s

s.A

tensión eléctrica, potencial eléctrico

volt

V

W/A

m2.kg.s−3.A−1

capacitancia

farad

F

C/V

m−2.kg−1.s4

resistencia eléctrica

ohm

Ω

V/A

m2.kg.s−3.A−2

conductancia

siemens

S

A/V

m−2.kg−1.s3.A2

flujo magnético

weber

Wb

V.S.

m2.kg.s−2.A−1

densidad de flujo magnético

tesla

T

Wb/m2

kg.s−2.A−1

inductancia

henry

H

Wb/A

m2.kg.s−2.A−2

flujo luminoso

lumen

lm

—

cd.sr

iluminancia

lux

lx

—

m−2.cd.sr

INTRODUCCIÓN A LAS UNIDADES SI Y FACTORES DE CONVERSIÓN

xiii

Tabla 4. Ejemplos de unidades SI derivadas expresadas con nombres especiales Unidades SI Nombre

Cantidad

Símbolo

Expresión en términos de unidades SI base

viscosidad dinámica

pascal segundo

Pa-s

m−1.kg.s−1

momento de fuerza

newton metro

N.m

m2.kg.s−2

tensión superficial

newton por metro

N/m

kg.s−2

densidad de flujo térmico, irradiación

watt por metro cuadrado

W/m2

kg.s−2

capacidad térmica, entropía

joule por kelvin

J/K

m2.kg.s−2.K−1

capacidad térmica específica, entropía específica

joule por kilogramo kelvin

J/(kg.K)

m2.s−2.K−1

energía específica

joule por kilogramo

J/kg

m2.s−2

conductividad térmica

watt por metro kelvin

W/(m.K)

m.kg.s−3.K−1

densidad de energía

joule por metro cúbico

J/m3

m−1.kg.s−2

intensidad de campo eléctrico

volt por metro

V/m

m.kg.s−3.A−1

densidad de carga eléctrica

coulomb por metro cúbico

3

C/m

m−3.s.A

densidad de flujo eléctrico

coulomb por metro cuadrado

C/m2

m−2.s.A

permitividad

farad por metro

F/m

m−3.kg−1.s4.A4

densidad de corriente

ampere por metro cuadrado

A/m2

—

intensidad de campo magnético

ampere por metro

A/m

—

permeabilidad

henry por metro

H/m

m.kg.s−2.A−2

energía molar

joule por mole

J/mol

m2.kg.s−2.mol−1

capacidad térmica molar

joule por mole kelvin

J/(mol.K) m2.kg.s−2.K−1.mol−1

Las unidades SI asignadas a la tercera clase, denominadas “unidades complementarias,” se pueden considerar como unidades base o bien como unidades derivadas. Consulte la tabla 5 y la tabla 6. Tabla 5. Unidades SI complementarias Unidades SI Cantidad

Nombre

ángulo plano

radián

ángulo sólido

estereorradián

Símbolo rad sr

xiv

INGENIERÍA TERMODINÁMICA

Tabla 6. Ejemplos de unidades SI derivadas formadas empleando unidades complementarias Unidades SI Cantidad

Nombre

Símbolo

velocidad angular

radián por segundo

rad/s

aceleración angular

radián por segundo al cuadrado

rad/s2

intensidad radiante

watt por estereorradián

radiancia

watt por metro cuadrado y por estereorradián

W/sr W-m−2.sr−1

Tabla 7. Prefijos SI Factor

Prefijo

1012

tera ...