Conversion de energia termodinamica basica Vol1 /
V. Kadambi, Manohar Prasad
Conversion de energia termodinamica basica Vol1 / - 1 - Limusa - 293 páginas Ilustraciones, Tablas y Gráficas 23 cm x 15.4 cm
Incluye Referencias Bibliográficas
1 Introducción La conversión de la energía y la termodinámica 11 Energía 12 Sistema 14 Intercambio de energía 15 Equilibrio termodinámico 17 Propiedades y estado 18 Procesos reversibles e irreversibles 19 La ley cero de la ter-modinamica y la temperatura 21 Medición de la temperatura y el ter-mómetro 22 Calibración de los termómetros 23 Presión 27 Sistema de unidades 28 Problemas 34
2 Primera ley, postulado de estado y sus aplicaciones Principio de la conservación de la energía 37 Transferencia de la ener-gía a través de las fronteras 38 Formas de trabajo reversible e irrever-sible 40 Postulado de estado 44 Propiedades extensivas e intensivas 45 Evaluación del trabajo en procesos especificados 46 El volumen de control 50: La primera ley aplicada a un volumen de control 51 La estrangulación y el experimento del tapón poroso 56 Otras aplicaciones del flujo permanente 57 Problemas 58
3 Propiedades de las sustancias puras Sustancias simples compresibles 63 Procesos isotérmicos 66 Calidad del vapor 67 Propiedades termodinámicas del vapor 49. Diagrama de temperatura-entropía y diagrama de Mollier 69 El diagrama p-T 74 Otras propiedades termodinámicas 74. Gas perfecto 78 Mezclas de gases perfectos 84 Ecuaciones de estado de un gas real 86 Sustancia incompresible 90 Problemas 91
4 Segunda ley de la termodinámica: Entropía Algunas definiciones 97 Segunda ley de la termodinámica 99 Pro-cesos reversibles e irreversibles 102 El ciclo de Carnot 104 Corolarios de la segunda ley: Teoremas de Carnot 105 Escala termodinámica de temperatura 106 Equivalencias entre las escalas de un gas perfecto y las escalas termodinámicas 108 Desigualdad de Clausius 109 Entropía 111 Principio del aumento de entropía 113 Problemas 116 97
5 Aplicaciones de la segunda ley: Relaciones termodinámicas Presiones termodinámicas y mecánicas: Ecuación de Gibbs 121 Cam-bios de entropía en diversos procesos 122 Ecuaciones diferenciales de estado 127 Relaciones de Maxwell 129 Relaciones Tds 130 Ecuación de Clapeyron 131 Aplicaciones a un gas perfecto 134 Problemas 137 121
6 Disponibilidad e irreversibilidad Energía disponible 141 Disponibi-Evaluación de procesos reales 148 Energía de alta y baja calidad 141 lidad 142 Trabajo reversible 146 Balance de la disponibilidad 151 Problemas 155 141
7 Ciclos termodinámicos
157 Ciclos generadores de potencia 157 Ciclos Otto, Diesel y dual 157 Ciclo Brayton 162 Ciclos compuestos 168 Propulsión a chorro 169 Ciclo Rankine 170 Ciclos de sobrecalentamiento y recalentamiento 173 Ciclo regenerativo de vapor 175 Ciclos de vapor, supercríticos y binarios 179 Ciclos de refrigeración 181 Conversión directa de la energía 186 Problemas 189
195
8 Principios estadísticos y entropía Algunos conceptos cuánticos 195 Microestados y macroestados 200 Modelos estadísticos 206 Estadísticas de Bose-Einstein 206 Estadís-ticas de Fermi-Dirac 208 Estadísticas de Maxwell-Boltzmann 209 Transiciones entre los microestados 212 brio 214 Entropía y la segunda ley 215 Función de partición y en-Tendencia hacia el equili-tropía 216 Condiciones para el equilibrio: Ecuación de Gibbs 217 Determinación de ays 219 Comportamiento en el cero absoluto 221 Apicación de las estadísticas cuánticas 222 La tercera ley de la termodinámica 228 Problemas 233
9 Teoría cinética y estadísticas 235 Introducción 235 Suposiciones de la teoría cinética 235 Colisiones con un muro: gases perfectos 237 Modelo estadístico de un gas perfec-to 240 Principios de la equidivisión de la energía 241 Distribución de Maxwell-Boltzmann 245 Colisiones binarias: recorrido libre medio 250 Ecuació de supervivencia 253 Problemas 255
1-1 La conversión de la energía y la termodinámica
La conversión de la energía trata de los principios de la conversión a una forma provechosa de energía natural disponible (generalmente eléctrica o mecá nica), así como también de los dispositivos utilizados en estos procesos. El es tudio de la conversión de la energía implica, por consiguiente, la familiarización con las diversas formas de energía, su disponibilidad, recolección y utilización. Tra-dicionalmente, es el ingeniero mecánico el que ha estado siempre familiarizado con todos los procesos de conversión de energía, así como con el diseño del equipo relacionado con estos.
El uso de cantidades de energía cada vez mayores ha liberado al hombre de trabajos penosos y ha mejorado considerablemente el estándar de vida en todo el mundo. Es de esperar que las exigencias de la humanidad en cuanto a la energía aumenten aún más rápidamente en el futuro a medida que continúen los adelan-tos científicos y tecnológicos. Por lo tanto, es esencial que la conversión de energía sea una asignatura de vital importancia por parte de todos los ingenieros, y en especial los ingenieros mecánicos implicados en la operación de plantas y equipos de energía.
Al emprender el estudio de la conversión de energía, es necesario conocer los principios fundamentales (o leyes) que gobiernan la liberación y conversión de energía de una a otra forma. La ciencia que trata de la materia, la energía, y las interacciones entre ésta y la materia, se llama termodinámica. Como muchos sistemas de ingeniería se ocupan de las interacciones entre la materia y la energía, el estudio de la termodinámica interesa a todos los ingenieros, siendo de aún mayor importancia para quienes se ocupan de la conversión de la energía.
La termodinámica se basa esencialmente en tres conceptos principales. Estos son:
) Energia, una idea básica para el desarrollo de todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. El postulado fundamental de la termodinámica establece que la materia posee energía (que se presenta en diversas formas) y que la energía se conserva.
ii) Equilibrio termodinámico, un estado al que llega todo sistema aisla-do que no tenga restricciones internas.
ii) Entropia, la que determina si puede ocurrir un cambio especificado o no. Ningún cambio puede ocurrir que disminuya la entropía del universo.
Estos, y otros conceptos relacionados con ellos constituyen los puntos de partida de la lógica termodinámica. En los cinco primeros capítulos de este vo-lumen, se presentará una breve introducción a la termodinámica clásica, haciendo hincapié sobre los aspectos importantes de los sistemas de conversión de energía. El resto de los capítulos tratan de los métodos estadísticos, teoría cinética y fi-nalmente el análisis de la segunda ley de los sistemas de conversión de energía.
9681814223
Conversion de energia termodinamica basica Vol1 / - 1 - Limusa - 293 páginas Ilustraciones, Tablas y Gráficas 23 cm x 15.4 cm
Incluye Referencias Bibliográficas
1 Introducción La conversión de la energía y la termodinámica 11 Energía 12 Sistema 14 Intercambio de energía 15 Equilibrio termodinámico 17 Propiedades y estado 18 Procesos reversibles e irreversibles 19 La ley cero de la ter-modinamica y la temperatura 21 Medición de la temperatura y el ter-mómetro 22 Calibración de los termómetros 23 Presión 27 Sistema de unidades 28 Problemas 34
2 Primera ley, postulado de estado y sus aplicaciones Principio de la conservación de la energía 37 Transferencia de la ener-gía a través de las fronteras 38 Formas de trabajo reversible e irrever-sible 40 Postulado de estado 44 Propiedades extensivas e intensivas 45 Evaluación del trabajo en procesos especificados 46 El volumen de control 50: La primera ley aplicada a un volumen de control 51 La estrangulación y el experimento del tapón poroso 56 Otras aplicaciones del flujo permanente 57 Problemas 58
3 Propiedades de las sustancias puras Sustancias simples compresibles 63 Procesos isotérmicos 66 Calidad del vapor 67 Propiedades termodinámicas del vapor 49. Diagrama de temperatura-entropía y diagrama de Mollier 69 El diagrama p-T 74 Otras propiedades termodinámicas 74. Gas perfecto 78 Mezclas de gases perfectos 84 Ecuaciones de estado de un gas real 86 Sustancia incompresible 90 Problemas 91
4 Segunda ley de la termodinámica: Entropía Algunas definiciones 97 Segunda ley de la termodinámica 99 Pro-cesos reversibles e irreversibles 102 El ciclo de Carnot 104 Corolarios de la segunda ley: Teoremas de Carnot 105 Escala termodinámica de temperatura 106 Equivalencias entre las escalas de un gas perfecto y las escalas termodinámicas 108 Desigualdad de Clausius 109 Entropía 111 Principio del aumento de entropía 113 Problemas 116 97
5 Aplicaciones de la segunda ley: Relaciones termodinámicas Presiones termodinámicas y mecánicas: Ecuación de Gibbs 121 Cam-bios de entropía en diversos procesos 122 Ecuaciones diferenciales de estado 127 Relaciones de Maxwell 129 Relaciones Tds 130 Ecuación de Clapeyron 131 Aplicaciones a un gas perfecto 134 Problemas 137 121
6 Disponibilidad e irreversibilidad Energía disponible 141 Disponibi-Evaluación de procesos reales 148 Energía de alta y baja calidad 141 lidad 142 Trabajo reversible 146 Balance de la disponibilidad 151 Problemas 155 141
7 Ciclos termodinámicos
157 Ciclos generadores de potencia 157 Ciclos Otto, Diesel y dual 157 Ciclo Brayton 162 Ciclos compuestos 168 Propulsión a chorro 169 Ciclo Rankine 170 Ciclos de sobrecalentamiento y recalentamiento 173 Ciclo regenerativo de vapor 175 Ciclos de vapor, supercríticos y binarios 179 Ciclos de refrigeración 181 Conversión directa de la energía 186 Problemas 189
195
8 Principios estadísticos y entropía Algunos conceptos cuánticos 195 Microestados y macroestados 200 Modelos estadísticos 206 Estadísticas de Bose-Einstein 206 Estadís-ticas de Fermi-Dirac 208 Estadísticas de Maxwell-Boltzmann 209 Transiciones entre los microestados 212 brio 214 Entropía y la segunda ley 215 Función de partición y en-Tendencia hacia el equili-tropía 216 Condiciones para el equilibrio: Ecuación de Gibbs 217 Determinación de ays 219 Comportamiento en el cero absoluto 221 Apicación de las estadísticas cuánticas 222 La tercera ley de la termodinámica 228 Problemas 233
9 Teoría cinética y estadísticas 235 Introducción 235 Suposiciones de la teoría cinética 235 Colisiones con un muro: gases perfectos 237 Modelo estadístico de un gas perfec-to 240 Principios de la equidivisión de la energía 241 Distribución de Maxwell-Boltzmann 245 Colisiones binarias: recorrido libre medio 250 Ecuació de supervivencia 253 Problemas 255
1-1 La conversión de la energía y la termodinámica
La conversión de la energía trata de los principios de la conversión a una forma provechosa de energía natural disponible (generalmente eléctrica o mecá nica), así como también de los dispositivos utilizados en estos procesos. El es tudio de la conversión de la energía implica, por consiguiente, la familiarización con las diversas formas de energía, su disponibilidad, recolección y utilización. Tra-dicionalmente, es el ingeniero mecánico el que ha estado siempre familiarizado con todos los procesos de conversión de energía, así como con el diseño del equipo relacionado con estos.
El uso de cantidades de energía cada vez mayores ha liberado al hombre de trabajos penosos y ha mejorado considerablemente el estándar de vida en todo el mundo. Es de esperar que las exigencias de la humanidad en cuanto a la energía aumenten aún más rápidamente en el futuro a medida que continúen los adelan-tos científicos y tecnológicos. Por lo tanto, es esencial que la conversión de energía sea una asignatura de vital importancia por parte de todos los ingenieros, y en especial los ingenieros mecánicos implicados en la operación de plantas y equipos de energía.
Al emprender el estudio de la conversión de energía, es necesario conocer los principios fundamentales (o leyes) que gobiernan la liberación y conversión de energía de una a otra forma. La ciencia que trata de la materia, la energía, y las interacciones entre ésta y la materia, se llama termodinámica. Como muchos sistemas de ingeniería se ocupan de las interacciones entre la materia y la energía, el estudio de la termodinámica interesa a todos los ingenieros, siendo de aún mayor importancia para quienes se ocupan de la conversión de la energía.
La termodinámica se basa esencialmente en tres conceptos principales. Estos son:
) Energia, una idea básica para el desarrollo de todas las ramas de la ciencia y la ingeniería. El postulado fundamental de la termodinámica establece que la materia posee energía (que se presenta en diversas formas) y que la energía se conserva.
ii) Equilibrio termodinámico, un estado al que llega todo sistema aisla-do que no tenga restricciones internas.
ii) Entropia, la que determina si puede ocurrir un cambio especificado o no. Ningún cambio puede ocurrir que disminuya la entropía del universo.
Estos, y otros conceptos relacionados con ellos constituyen los puntos de partida de la lógica termodinámica. En los cinco primeros capítulos de este vo-lumen, se presentará una breve introducción a la termodinámica clásica, haciendo hincapié sobre los aspectos importantes de los sistemas de conversión de energía. El resto de los capítulos tratan de los métodos estadísticos, teoría cinética y fi-nalmente el análisis de la segunda ley de los sistemas de conversión de energía.
9681814223
