FUNDAMENTOS DE TERMODINAMICA

1 algunos comentarios de introducción
2algunos conceptos y definiciones
3propiedades de una substancia pura
4trabajo y calor
5primera ley de la termodinámica
6segunda ley de la termodinámica
7 entropía
8irreversibilidad y disponibilidad
9ciclos de plantas de fuerza y refrigeración
10relaciones termodinámicas
11mezclas y soluciones
12reacciones químicas
13introducción al equilibrio químico y de fases

Este libro es el primero de la colección titulada Series in Thermal and Transport Sciences. Por lo mismo, tiene un doble objetivo: primero, ofrecer realmente una exposición comprensiva y rigurosa de la Termo-dinámica Clásica, reteniendo la perspectiva ingenieril; y segundo, pre-parar el terreno para la presentación de la Mecánica de Flúidos, de la Transmisión de Calor y de Masas y de la Termodinámica Estadística, que aparecerán en libros sucesivos de esta serie.

Estas mismas bases prepararán a los estudiantes para estudios más especializados en varios campos de aplicación de la Termodinámica o para estudios posteriores de Termodinámica Clásica.

El primer objetivo nos obligó a algunas consideraciones, Si la pre-sentación iba a ser efectiva como libro de texto, debía dirigirse princi-palmente a los estudiantes. Por tanto, cuando fue pertinente se presen-taron en el contexto conceptos nuevos y definiciones apropiadas. Las primeras propiedades termodinámicas definidas (capítulo 2), fueron las que se pueden medir, es decir, presión, volumen específico y temperatura. En los siguientes capítulos se introdujeron tablas con las propiedades termodinámicas, pero sólo como observación de esas propiedades men-surables. Se introdujo, asimismo, el concepto de Energía Interna en el capítulo relativo a Disponibilidad, en conexión con la primera ley para un sistema; Entalpía, con la primera ley para volumen de control; En-tropía, con la segunda ley; y las funciones de Helmholtz y Gibbs, en el capítulo de Disponibilidad. Se incluyeron numerosos ejemplos para ayu-dar a los estudiantes a entender mejor la Termodinámica; y los proble-mas intercalados al final de cada capítulo han sido escogidos siguiendo una secuencia cuidadosa con el material expuesto, planteándolos pro-gresivamente más difíciles.

Intentamos hacer muy comprensible el material básico de Termodi-námica Clásica y creemos que el libro proporciona una preparación adecuada para el estudio de la aplicación de la Termodinámica a los diferentes campos profesionales y también para estudiar tópicos más avanzados de Termodinámica, como son aquellos que tienen conexión con los materiales, fenómenos de superficie, plasmas y criogénica. Re-conocemos que algunas universidades ofrecen un solo curso de Termo-dinámica para todas las carreras y nos hemos propuesto incluir cada uno de los temas que cualquier escuela pudiera desear que estuviese comprendido en sus cursos. Sin embargo, como los cursos específicos de cada una varían considerablemente en los requisitos previos, objetivos específicos, duración y conocimientos básicos de los estudiantes, hemos arreglado el material, particularmente en los últimos capítulos, con el fin de que tenga una flexibilidad considerable en lo que respecta a la cantidad que pueda abarcarse con dicho material.

En todo el libro hemos intentado mantener una perspectiva ingenieril, primordialmente en la selección de los ejemplos y problemas. Además, el primer capítulo presenta numerosas aplicaciones a la Termodinámica que son de uso corriente. Nuestra primera intención fue suprimir otros capítulos que tratasen de dichas aplicaciones. Sin embargo, reflexiones ulteriores nos convencieron de que a muchos estudiantes les gusta, cuan-do menos, una breve exposición de los ciclos y que un bien pensado estudio de ciclos les serviría para afirmar la comprensión de la primera y la segunda leyes de la Termodinámica. Por esta razón se incluyó el capítulo 9, relativamente breve, aunque puede omitirse sin pérdida de continuidad.

Nuestro otro objetivo es el de proporcionar en este libro las bases para el estudio de Mecánica de Flúidos, de Transmisión de Calor y de Masas, y de Termodinámica Estadística que influyó en lo que escribimos, por lo menos, en dos sentidos. Primero, tratamos ampliamente el con-cepto Volumen de Control, ya que la presentación de mecánica de flúi-dos y transmisión de calor en los libros subsecuentes de esta serie, parten de este concepto, Segundo, la selección de terminología, definiciones y to-picos específicos, fueron determinados por nuestra decisión original de que la preparación que el estudiante llegase a adquirir en Termodinámica, le sirviera para los estudios subsecuentes en las ciencias térmicas y de transporte de masas.

La cuestión de los símbolos ocasionó algunas decisiones difíciles para nosotros. A fin de enfatizar la distinción entre fuerza y masa, los símbolos Ibf y lom se usaron para fuerza y masa en el Sistema Inglés. El sim-bolo lbf/pulga se usó para presión (en lugar de p.s.i.) y pie³/lb m (en lugar de cuft/lb), a fin de enfatizar las unidades fundamentales (fy extensivas, una minúscula (u,4,s) designa la propiedad por unidad de Para las masa, una mayúscula (U,H,S) la propiedad para el sistema completo; la mingacula, con un guión arriba, es para la propiedad por unidad de mol y la mayúscula, con el guión arriba, para la propiedad molar parcial Siguiendo estos patrones, encontramos conveniente designar el calor to-tal tranunitido como, el calor transmitido por unidad de masa del sistema como q, el trabajo total como IW, y el trabajo por unidad de masa del sistema como Posteriormente decidimos representar el flujo que cruza los limiter de un sistema o superficie de control, por un punto sobre la cantidad considerada. De igual manera, Q representa la rapidez de transmisión de calor a través de los límites del sistema, W la rapidez del trabajo que cruza los límites del sistema (o sea la potencial) y i el flujo de masa que cruza la superficie de control (ů se usa cuando el flujo de masa está expresado en moles por unidad de tiempo). La rapidez de transmisión de calor a través de la superficie de control se designa Wo... Reconoce-mos que al diferir de la forma acostumbrada en matemáticas para el uso de los símbolos punteados, ya que en esta ciencia ellos se refieren gene-ralmente a la derivada con respecto al tiempo. Ahora bien, nosotros he-mos usado los símbolos punteados solamente para indicar un flujo de calor y de trabajo a través de los límites de un sistema; y calor, tra-bajo y masa, a través de una superficie de control; por otra parte, cree-mos que ello ha contribuido al uso simple y consistente de símbolos en este libro.

Un examen breve del contenido de la obra puede ayudar al lector. El capítulo 1, que sirve como una introducción a la Termodinámica, in-cluye una breve descripción de la celda de combustible, del refrigerador termodinámico y del generador de fuerza, así como también cierto nú-mero de los sistemas más convencionales. Una breve descripción de una planta separadora de aire sirve como ejemplo de dos procesos, químico y criogénico; algunos problemas de varios capítulos están basados en este sistema. Los capítulos 2, 3 y 4 abarcan cierto número de definiciones básicas, tales como propiedad, ciclo, presión, volumen específico, tempe-ratura, calor y trabajo. La discusión del concepto trabajo incluye una descripción del proceso enfriamiento magnético. En el capítulo 5 se trata, por una parte, lo relativo al sistema y volumen de control y, por otra, la conservación de masas, ambos, asuntos relacionados con la pri-mera ley de la Termodinámica. Este capítulo también presenta los procesos de estado estable, flujo estable y de estado uniforme, flujo uni-forme; las definiciones de calores específicos a presión constante y a volumen constante y del coeficiente Joule-Thomson; y las definiciones de entalpía y energía interna de los gases ideales.

Los capitulos 6, 7 y 8 abarcan un desarrollo progresivo de la segunda ley de la Termodinámica. En el capítulo 6 se presentan los enunciados de Kelvin-Planck y Clausius para la segunda ley, el ciclo de Carnot y la escala termodinámica de temperatura. El capítulo 7 cubre la desigual-dad de Clausius, la definición de entropía, la segunda ley de Termodi-námica para un volumen de control y el principio de incremento de la entropia. El capitulo B, que amplia el desarrollo de la primera y se-gunda leyes para los conceptos de disponibilidad e irreversibilidad, puede omitirse sin pérdida en la continuidad. El capítulo 9, como quedó explicado ya, trata de varios ciclos termodinámicos.

y El capítulo 10 trata de las relaciones termodinámicas generales, grá-ficas generalizadas, fugacidad y ecuaciones de estado. El capítulo 11 trata de mezclas, mezclas de gases ideales, como modelo simplificado para aplicarse a mezclas ordinarias aire-vapor y finalmente nos conduce a un trato más generalizado con mezclas, incluyendo una discusión de las propiedades molares parciales, soluciones ideales y actividad, y coe-ficientes de actividad, La termodinámica de las reacciones químicas es el tema del capítulo 12, e incluye la consideración de la entalpía de formación y la tercera ley de la Termodinámica. El capítulo 13 trata del equilibrio, poniendo énfasis especial en el equilibrio de sistemas bajo reacción química incluyendo reacciones simultáneas. También considera el equilibrio de fase y el equilibrio de los sistemas que involucran ioni-zación.

En vista del papel que desempeña este libro en la serie de Ciencias Térmicas y de Transferencia de Masas, no intentamos, originalmente, incluir ningún tópico de flujo de flúidos. Sin embargo, por recomenda-ción de uno de los revisores, insertamos, en el capítulo 14, una introduc ción a los temas de flujo compresible y flujo a través de toberas y pasos entre álabes; esto, con objeto de facilitarles el estudio a aquellos alumnos que no van a tomar después cursos más extensos en flujo de flúidos. Reconocemos que, en muchos casos, el material de este capítulo se es-tudiará en otros cursos.

El apéndice incluye tablas de propiedades termodinámicas de diversas substancias, propiedades críticas, ecuaciones de calor específico, cons-tantes de equilibrio y varias cartas generalizadas.

Gran parte del material introductorio y las secciones que contienen aplicación de la Termodinámica a los ciclos y al flujo de flúidos, fue-ron adaptados del texto anterior, Thermodynamics, publicado en 1959, por el mismo autor.

Ha sido muy dificil, y casi imposible, expresar nuestro agradecimiento a las personas que de uno u otro modo han colaborado en la preparación de este libro. Los conocimientos expuestos en él se deben a un sinnů mero de personas que han contribuido a la enseñanza termodinámica ya sea personalmente, o a través de sus publicaciones. Más aún, en calos frecuentes, hacia tiempo que hablamos olvidado la fuente de una idea, de un problema con valor instructivo especial, o de un croquis que mos traba algún proceso o dispositivo. Por eso, aunque nos empeñamos en hacer referencia a numerosas cuestiones tratadas en el texto, reconocemos que aquellas están incompletas y aprovechamos esta ocasión para señalar
nuestro aprecio a todas aquellas personas que contribuyeron para escri-bir este libro.

Antes que nada deseamos dejar constancia del consejo y de los va-liosos análisis hechos con nuestros colegas los profesores A. G. Hansen y J. A. Clark, con quienes trabajamos estrechamente en esta serie de Ciencias Térmicas y Transferencia de Masas. La presentación del volu-men de control que expone este libro, sigue muy de cerca el desarrollo que preparó el profesor Clark para el libro subsecuente, Transmisión de Calor y Masas.

También reconocemos la ayuda de otros colegas. Los profesores G. E. Smith y E. R. Lady fueron de gran valía para nosotros en muchos pun-tos. Creemos que el profesor W. C. Reynolds, de la Universidad de Stan-ford, fue el primero en introducir el término "substancia simple compresi-ble" y hemos adoptado este término con su aprobación. Nuestros alumnos también han sido siempre una gran ayuda, principalmente en la eva-luación crítica de sus apuntes tomados en nuestras cátedras, y en sus requerimientos de prueba, que nos han forzado a reconsiderar varios puntos y problemas. Nuestra secretaria, la señora Bernice Ogilvy y sus colaboradoras, contribuyeron bastante al mecanografiar los manuscritos.

Deseamos que este libro contribuya a nuestros programas educativos en Termodinámica. Los comentarios, críticas y recomendaciones de los lectores serán bien apreciados.

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