Introduccion a la Termodinamica en Ingenieria Quimica PDF

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Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química Quinta edición J.M. Smith Profesor Emérito de Ingeniería Química University of California, Davis H. C. Van Ness Profesor Emérito de Ingeniería Química Rensselaer Polytechnic Iris titu te M. M. Abbott Profesor de Ingeniería Química Rensselaer Poly...

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Introduccion a la Termodinamica en Ingenieria Quimica Mau Cordero

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Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química Quinta edición J.M. Smith

Profesor Emérito de Ingeniería Química University of California, Davis

H. C. Van Ness

Profesor Emérito de Ingeniería Química Rensselaer Polytechnic Iris titu te

M. M. Abbott

Profesor de Ingeniería Química Rensselaer Polytechnic Institute TRADUCCIÓN: Edmundo G. Urbina Medal

Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad Autónoma Metropolitana lztapalapa

María del Consuelo Hidalgo Mondragón Química Universidad Nacional Autónoma de México Doctorado en Química

REVISIÓN TÉCNICA: Ing. José Clemente Reza García

Profesor titular de Química general y Operaciones unitarias Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional

McGRAW-HILL MÉXICO l BUENOS AIRES l CARACAS. GUATEMALA l LISBOA l MADRID l NUEVA’YORK PANAMÁ l SAN JUAN l SANTAFÉ DE BOGOTÁ. SANTIAGO l SÁO PAULO AUCKLAND l HAMBURGO l LONDRES l MILÁN l MONTREAL l NUEVA DEHLI l PARíS SAN FRANCISCO l SINGAPUR l ST. LOUIS l SIDNEY l TOKIO l TORONTO

Gerente de producto: Alfonso García Bada Mena Supervisor de edición: Mateo Miguel García Supervisor de producción: Zeferino García García

INTRODUCCIÓN A LA TERMODINÁMICA EN INGENIERÍA QUÍMICA Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin autorización escrita del editor DERECHOS RESERVADOS 0 1997 respecto a la quinta edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. Cedro Núm. 512, Col. Atlampa 06450 México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana., Reg. Núm. 736 ISBN 970-10-1333-6

(ISBN 968-422-287-4 cuarta edición) Translated of the fifth edition in English of INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING THERMODYNAMICS Copyright 0 1996, by McGraw-Hill, Inc. ISBN 0-07-059239-X

3456789012

L.I.-97

Impreso en México Esta obra se termino de Imprimir en Julio de 1996 en Programas Educativos S. A. de C V Calz. Chabacano No. 65-a Col. Asturias Delegación Cuauhtémoc C. P 06650 México, D. F Empresa Certificada por el Instituto Mexicano de Normalización y Certificación A C. bajo la Norma ,ISO-9002: 1994/NMX-CC-04: 1995 con el Núm de Registro RSC-046

Se tiraron 1200 ejemplares

90765432 18 Printed in Mexico

CONTENIDO Acerca de los autores .......................................................................... Acerca del libro .................................................................................... Lista de símbolos ................................................................................. Prefacio .............................................................................................. 1 Introducción ................................................................................. 1.1 El ámbito de la termodinámica.. ..................................................

3

1 1

Dimensiones y unidades .............................................................. Fuerza ......................................................................................... Temperatura ............................................................................... Cantidades definidas; volumen .................................................... Presión ........................................................................................ Trabajo ....................................................................................... Energía. ...................................................................................... Calor .......................................................................................... .

2 3 5 7 7 10 11 17

Primera ley y otros conceptos básicos .............................................. 2.1 Experimentos de Joule ................................................................ 2.2 Energía interna ........................................................................... Primera ley de la termodinámica ................................................. 2.3 2.4 Estado termodinámico y funciones de estado .............................. Entalpía ...................................................................................... 2.5 2.6 Proceso de flujo continuo en estado estable ................................. .................................................................................... Equilibrio 2.7 2.8 Regla de las fases ........................................................................ 2.9 El proceso reversible ................................................................... 2.10 Procesos con V y P constantes ..................................................... 2.11 Capacidad calorífica ....................................................................

21 21 21 22 24 29 31 38 39 41 47 49

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9

2

ix xi xv xix

Propiedades volumétricas de los fluidos puros .................................. Comportamiento PVT de sustancias puras ..................................

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Ecuaciones del virial ................................................................... . ................ El gas ideal ................................................................ Aplicación de las ecuaciones del virial .......................................... Ecuaciones cúbicas de estado ...................................................... Correlaciones generalizadas para gases ....................................... Correlaciones generalizadas para líquidos ................................... Teoría molecular de fluidos. ......................................................... Segundo coeficiente virial a partir de funciones de potencial .......

59 59 66 70 87 91 97 107 110 118

vi

CONTENIDO 4

Efectos caloríficos ......................................................................... 4.1 Efectos del calor sensible.. ........................................................... 4.2 Energía interna de los gases ideales: punto de vista microscópico .... 4.3 Calores latentes de sustancias puras ........................................... 4.4 Calor estándar de reacción .......................................................... 4.5 Calor estándar de formación ....................................................... 4.6 Calor estándar de combustión ..................................................... 4.7 Dependencia de AiT con respecto A la temperatura. .................... 4.8 Efectos caloríficos de las reacciones industriales .........................

132 133 141 144 146 148 151 152 155

5

Segunda ley de la termodinámica .................................................... 5.1 Enunciados de la segunda ley.. .................................................... 5.2 Máquinas térmicas ...................................................................... 5.3 Escalas de temperatura termodinámica ...................................... 5.4 Temperatura termodinámica y la escala de gas ideal ................... 5.5 Entropía ..................................................................................... 5.6 Cambios de entropía de un gas ideal.. .......................................... 5.7 Enunciado matemático de la segunda ley .................................... 5.8 Tercera ley de la termodinámica .................................................. 5.9 Entropía desde el punto de vista microscópico.. ...........................

171 172 1.73 177 178 181 185 189 195 195

6

Propiedades termodinámicas de los fluidos ...................................... 6.1 Relaciones entre propiedades para fases homogéneas .................. 6.2 Propiedades residuales ................................................................ Sistemas de dos fases .................................................................. 6.3 6.4 Diagramas termodinámicos.. ....................................................... 6.5 Tablas de propiedades termodinámicas ....................................... 6.6 Correlaciones generalizadas de propiedades para gases ...............

203 204 2 16 222 226 229 23 1

7

Termodinámica de procesos de flujo ................................................ 7.1 Ecuaciones de balance.. ............................................................... 7.2 Flujo en conductos de fluidos compresibles ................................. 7.3 Turbinas (expansores) ................................................................. 7.4 Procesos de compresión.. .............................................................

249 250 269 282 289

8

Producción de energía a partir de calor ........................................... 8.1 La planta de energía de vapor ..................................................... 8.2 Motores de combustión interna ................................................... El motor de Otto ......................................................................... 8.3 8.4 El motor Diesel ........................................................................... 8.5 La planta de energía de turbina de gas.. ...................................... 8.6 Motores a chorro; motores de cohete ...........................................

305 306 3 19 320 323 325 330

9

Refrigeración y licuefacción ........................................................... El refrigerador de Carnot ............................................................ 9.1 9.2 Ciclo de compresión de vapor ......................................................

33 6 337 339

vii

Contenido Comparación de ciclos de refrigeración ........................................ Selección del refrigerante ............................................................ Refrigeración por absorción ........................................................ Bomba de calor ........................................................................... Procesos de licuefacción ..............................................................

340 345 347

Termodinámica de soluciones: teoría ...............................................

359

9.3 9.4 9.5 9.6

9.7

10

Relación de propiedades fundamentales ...................................... Potencial químico como criterio para el equilibrio de fases .......... Propiedades parciales .................................................................. Mezclas de gases ideales .............................................................. Fugacidad y coeficiente de fugacidad para una especie pura ........ F’ugacidad y coeficiente de fugacidad para especies en solución ... Correlaciones generalizadas para el coeficiente de fugacidad ....... La solución ideal ......................................................................... Propiedades en exceso ................................................................. Enlace de hidrógeno y complejación por transferencia de carga ...................................................................................... 10.11 Comportamiento de las propiedades en exceso de mezclas líquidas ......................................................................

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9 10.10

l l Termodinámica 11.1 ll .2 11.3 11.4 ll .5

de

soluciones:

aplicaciones ......................................

Propiedades de fase líquida a partir de datos EVL ...................... Modelos para la energía de Gibbs en exceso ................................. Cambios de propiedades en el mezclado ....................................... Efectos caloríficos en los procesos de mezclado ........................... Bases moleculares para el comportamiento de mezclas ................

1 2 EVL a presiones bajas y moderadas ................................................ 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7

Naturaleza del equilibrio ............................................................. Regla de las fases. Teorema de Duhem ........................................ EVL: comportamiento cualitativo ............................................... Formulación gama/fi de EVL ...................................................... Cálculos de punto de rocío y de punto de burbuja ........................ Cálculos de evaporación instantánea ........................................... Sistemas soluto( l)/disolvente( 2) .................................................

1 3 Propiedades termodinámicas y EVL a partir de las ecuaciones de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1

Propiedades de los fluidos a partir de las ecuaciones viriales de estado. . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Propiedades de los fluidos a partir de las ecuaciones . cúbicas de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...~................................ 13.3 Propiedades de los fluidos a partir de las correlaciones del tipo Pitzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 EVL a partir de ecuaciones cúbicas de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

350

35 1

360 361 363 376 380 386

391 398

400

404 407 419

419 440 445 453 468

482 482 483 484 494 498 520 526 536 537 542 543 547

CONTENIDO

Vlll

14 Tomas en equilibrio de fases ......................................................... Equilibrio y estabilidad ............................................................... (ELL) ................................................. Equilibrio líquido/líquido Equilibrio vapor/líquido/líquido (EVLL) ..................................... Equilibrio sólido/líquido (ESL) ................................................... Equilibrio sólido/vapor (ESV) ..................................................... Adsorción en equilibrio de gases en sólidos .................................. EVL mediante simulación molecular ...........................................

573 573 581 590 601 607 613 633

15 Equilibrio en las reacciones químicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

639

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9

640 Coordenada de reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicación de los criterios de equilibrio a las reacciones químicas . . . . 645 Cambio de la energía estándar de Gibbs y la constante 647 de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efecto de la temperatura sobre la constante de equilibrio . . . . . . . . . . . 650 Evaluación de las constantes de equilibrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654 Relación de las constantes de equilibrio con la composición . . . . . . . . . 656 Conversiones de equilibrio para reacciones individuales . . . . . . . . . . . . . . 661 Regla de las fases y teorema de Duhem para los sistemas reactivos . 676 Equilibrio en reacciones múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .680 ...

16 Análisis 16.1 16.2 16.3

termodinámico

de

procesos ..............................................

Cálculo del trabajo ideal .............................................................. Trabajo perdido.. ......................................................................... Análisis termodinámico de procesos de flujo en estado uniforme .....

700 700 705 708

A

Factores de conversión y valores de la constante de los gases . . . . . . . . 723

B

Propiedades de las especies puras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

725

C

Capacidades caloríficas y cambios de propiedades de formación . . . .

728

D

Programas de computadora representativos .................................

733 733 736

E

Tablas de correlación generalizada de Lee/Kesler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

741

F

Tablas de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

759

G

Método UNIF’AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

832

H

Método de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

840

D. 1 D.2

Funciones definidas.. ................................................................... Resolución de problemas: ejemplo con MathCad@’ .......................

Índices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

845

ACERCA DEL LIBRO

Introducción a la termodinámica en ingeniería química quinta edición, presenta y detalla la aplicauna exposición completa de los principios de la termodinamica ción de éstos a los procesos químicos. Revisado y totalmente actualizado, este clásico también brinda al lector un fundamento adecuado para el autoaprendizaje subsecuente. Este excelente libro incluye un tratamiento elemental de los conceptos moleculares y su significación para las propiedades termodinámicas. Otras mejoras de la quinta edición incluyen una revisión del capítulo "Procesos de flujo” -para hacer el material más coherente y consistente con el estudio moderno de la mecánica de fluidos- así como un reordenamiento y consolidación extensos de material sobre el equilibrio vapor/líquido. También hay un nuevo capítulo, “Temas en equilibrio de fases”, que comprende material sobre equilibrios sóIido/líquido, para proporsólido/vapor y de adsorción. Adicionalmente, se ha añadido material cionar un estudio más completo de las ecuaciones de estado y su aplicación a.1 equilibrio vapor/líquido. La quinta edición de lntroducci6n a la termodanámica en ingeniería química, facilita el aprendizaje de la materia, e incluye más de 115 ejemplos resueltos, así como ocho apéndices útiles. Este texto clásico está escrito no sólo para estudiantes, sino también para ingenieros en el desempeño de su profesión.

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