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INDICE

I.- SISTEMAS TERMODINAMICOS Introducción a la Termodinámica.- Sistemas macroscópicos Ecuaciones de estado Superficies de estado Coeficientes de dilatación, piezotérmico y compresibilidad Ecuación de estado de un gas perfecto Ecuación de estado energética de un gas perfecto Expresiones matemáticas que definen un gas perfecto Relación entre la unidad de masa y el mol.- Leyes de Dalton y Amagat

1 3 4 6 7 8 9 10

II.- GASES REALES Concepto de gas real Potencial de Lennard-Jones Ecuaciones de estado de los gases reales Ecuación de Van der Waals Fluidos condensables Proyecciones de la superficie (p,v,T).- Diagramas de fases Diagrama de fases (p,T) Concepto de línea trible. Punto triple Superficie (p,v,T) de una sustancia que se expande al congelarse. Diagrama de fases y (p,v) Superficie (p,v,T) de una sustancia que se comprime al congelarse. Diagrama de fases y (p,v) Diagrama (p,v) Isotermas Ley de estados correspondientes Factor de compresibilidad Diagrama del factor de compresibilidad generalizado de Nelson-Obert (presiones altas) Diagrama del factor de compresibilidad generalizado de Nelson-Obert (presiones medias) Curva y temperatura de Boyle Otras ecuaciones del comportamiento de los gases reales Aplicación de la ecuación del virial Ecuaciones de estado de segundo grado, p < 15 atm Ecuaciones de estado de tercer grado, 30 < p < 50 atm Correlaciones generalizadas para gases Técnicas de iteración Volúmenes de vapor Volúmenes líquidos Factor de compresibilidad Ecuación de Redlich/Kwong Ecuación de Benedict/Webb/Rubin Factor acéntrico Método gráfico Correlación para Z desarrollada por Pitzer Método analítico Correlaciones generalizadas para líquidos. Ecuación de Rackett

13 13 14 14 16 16 16 17 17 17 18 18 18 18 19 19 19 20 21 21 22 23 23 23 23 23 24 24 25 27 27 29 29

III.- CALOR Y TRABAJO Naturaleza física del calor. Capacidad calorífica Calor específico Calores específicos de los gases pfernandezdiez.es

31 31 32 33 Indice.513


Calores específicos para algunos gases comunes en condiciones de gas ideal Calor específico de algunos gases en el intervalo, 0ºC- 1500ºC Trabajo de expansión de un gas Equivalencia entre calor y trabajo Trabajo de expansión en sistemas gaseosos Transformaciones reversibles Transformaciones irreversibles El calor de reacción estándar Calor de formación standar Tabla de calores específicos a presión constante de algunos gases en el estado de gas ideal Tabla de calores específicos de algunos sólidos Tabla de calores específicos de algunos líquidos El calor de combustión estándar Tabla de calores estándar de formación de la sustancia formada a 25°C en, J/mol

34 34 35 35 35 36 36 37 38 39 40 40 41 42

IV.- PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Introducción al Primer Principio El Primer Principio y los sistemas cerrados Energía de un sistema cerrado Balance de energía de un sistema estacionario Ecuaciones energéticas de un sistema Procesos a: v = Cte Procesos a: p = Cte Procesos a: T = Cte Procesos a: Q = Cte Coeficientes calorimétricos de un sistema homogéneo Transformaciones adiabáticas Teorema de Reech Transformaciones politrópicas; índice de politropía Transformaciones a volumen constante Transformaciones a presión constante; concepto de entalpía Transformaciones isotérmicas Trabajo de rozamiento Transformación real o politrópica irreversible Politrópica reversible

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V.- APLICACIONES DEL PRIMER PRINCIPIO A SISTEMAS ABIERTOS Energía de una corriente fluida Energía almacenada en un sistema abierto Balance energético de un sistema aislado Ecuación energética de un fluido en régimen estacionario Consideraciones termodinámicas Consideraciones mecánicas Procesos de calentamiento y enfriamiento Procesos en tubos aislados, toberas y difusores Turbinas y compresores Efecto Joule Kelvin Líneas isoentálpicas y curva de inversión Tabla del efecto Joule-Kelvin para el aire Ecuación de Bernoulli Formulación de Saint.-Venant Formulación de Torricelli Formulación de Navier para expansión isoterma Formulación de Weisbach y Grashoff Formulación de Zeuner Flujo no estacionario pfernandezdiez.es

55 56 56 57 57 58 59 59 59 60 61 62 63 64 64 64 64 64 65 Indice.514


VI.- SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINAMICA Introducción y definiciones del Segundo Principio de la Termodinámica Transformaciones cíclicas monotermas Transformaciones cíclicas con dos fuentes térmicas Ciclo de Carnot Función entropía Teorema de Clausius Variación de la entropía en procesos reversibles Entropía de una mezcla de gases ideales Diagrama entrópico Representación entrópica de algunas transformaciones Ciclo de Carnot en el diagrama entrópico Aprovechamiento de un salto térmico Ciclo de Carnot con irreversibilidad térmica externa Energía utilizable en las transformaciones cíclicas Ciclos con irreversibilidades internas

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VII.- LEYES DEL EQUILIBRIO DE LAS TRANSFORMACIONES REALES Sistemas termodinámicos Sistemas térmicamente aislados Sistemas a temperatura y volumen constantes. Potencial de Helmholtz Sistemas a presión y temperatura constantes. Función de Gibbs Relaciones de Thomson Trabajo técnico Ecuaciones de Maxwell Función termodinámica U. Primera ecuación de Maxwell Función termodinámica F. Segunda ecuación de Maxwell Función termodinámica I. Tercera ecuación de Maxwell Función termodinámica G. Cuarta ecuación de Maxwell Potencial químico Ecuaciones de Gibbs-Helmholtz Ecuación de Clausius.-Clapeyron Cambios de fase de Primer Orden Ecuación de Riedel Ecuación de Watson Cambios de fase de Segundo Orden; ecuaciones de Ehrenfest Aplicaciones conjuntas de los dos Primeros Principios Termodinámicos

85 85 85 86 87 87 89 89 90 90 90 90 91 92 92 94 94 94 95

VIII.-RENDIMIENTO Y EXERGÍA Rendimiento Coeficiente de calidad, rendimiento mecánico y total Determinación del coeficiente de calidad mediante el diagrama entrópico Potencia indicada, potencia útil, consumo de combustible y coste de la energía producida Concepto de Exergía Concepto de medio ambiente Concepto de estado muerto Cálculo de la exergía Balance de exergía para sistemas cerrados Transferencia de exergía Exergía de flujo Balance de exergía en un volumen de control Eficiencia exergética en turbinas Eficiencia exergética en bombas y compresores Eficiencia exergética en intercambiadores de calor de superficie pfernandezdiez.es

99 99 100 102 102 103 104 104 106 108 109 111 112 112 112 Indice.515


Eficiencia exergética en intercambiadores de calor de mezcla Ejemplos

113 114

IX.- FLUJO COMPRESIBLE Relaciones entre el coeficiente adiabático y la velocidad del sonido en un fluido compresible Formulación de Hugoniot Derrame por toberas Condiciones críticas Estudio de una corriente fluida en una tobera Laval La presión de salida es ligeramente superior a la presión crítica La presión de salida es igual a la presión crítica La presión de salida es menor que la presión crítica La presión del fluido a la salida de la tobera es mayor que la presión exterior Perfil de una tobera por el método gráfico de Kolb Flujo isoentrópico de un gas perfecto Gasto máxico Onda de choque normal Onda de choque normal en conductos Líneas de Rayleigh y Fanno Línea de Rayleigh Línea de Fanno Otras expresiones de las líneas de Rayleigh y Fanno, en coordenadas (i-s) Línea de Fanno Línea de Rayleigh Flujo adiabático en conductos de sección constante, con rozamiento Bloqueo debido a la fricción Flujo sin rozamiento por el interior de conductos con transferencia de calor Flujo isotermo permanente en tuberías largas Tablas de Fanno y Rayleigh

121 123 124 126 127 129 129 129 129 130 131 132 133 134 135 136 138 138 138 141 143 145 147 149 151

X.- CICLOS DE MAQUINAS TERMICAS QUE FUNCIONAN CON GAS Ciclo de Carnot Ciclos de igual rendimiento al de Carnot Ciclo Stirling Principio mecánico Funcionamiento del motor Rendimiento térmico Ciclo Ericsson Transformaciones termodinámicas del motor Realización mecánica Funcionamiento del motor Rendimiento térmico Ciclos de turbinas de gas Ciclo de Atkinson. Ciclo de Brayton Esquema de una turbohélice Esquema de una turbosoplante Esquema de una máquina de chorro Esquema de un turborreactor Ciclo Otto.-Beau de Rochas de aire estándar Funcionamiento de un motor de 4 tiempos Funcionamiento de un motor de 2 tiempos Trabajo de compresión Trabajo de expansión Trabajo útil del ciclo Par motor pfernandezdiez.es

167 167 167 168 168 169 170 170 171 172 173 173 173 175 176 176 176 176 178 178 179 181 182 182 182 Indice.516


Temperatura y presión alcanzados por la combustión en un ciclo Otto Ciclo Diesel de aire estándar Ciclo Semidiesel.-Sabathe Anexo- Gasolinas

183 183 185 187

XI.- PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE LOS FLUIDOS CONDENSABLES Estudio de los fluidos condensables Isoterma crítica Presión de saturación Título de un vapor Estudio calorimétrico del vapor de agua Diagrama de Izart Diagrama de Mollier Tablas y diagramas

191 191 192 193 193 195 196 198

XII.- CICLOS DE MAQUINAS TERMICAS Introducción y clasificación de las máquinas térmicas Ciclo de Carnot Ciclo Rankine Irreversibilidades internas de un ciclo Rankine Irreversibilidades externas Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento Ciclos de regeneración Extracciones y sangrías de vapor Esquema de ciclo Rankine con una extracción de vapor y precalentador de mezcla Esquema de ciclo Rankine con una extracción de vapor y precalentador de superficie Esquema de un ciclo de vapor con dos extracciones y precalentadores de flujos paralelos Esquema de un ciclo de vapor con dos extracciones y precalentadores de mezcla Temperatura óptima de la primera extracción de vapor Temperaturas de extracción para dos sangrías de vapor Temperaturas de extracción para tres sangrías de vapor Ciclos binarios Expansión en cilindros de trabajo Ciclos Compound

211 212 213 214 215 215 219 219 220 221 222 223 223 224 224 225 227 230

XIII.- CICLOS DE REFRIGERACION POR COMPRESION Técnicas y sistemas de producción de frío 233 Clasificación 234 Sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso 234 Sistemas basados en la elevación de la temperatura de un fluido frigorígeno 234 Métodos especiales 235 Efecto Peltier (Termoeléctrico) 235 Efecto Haas-Keenson 235 Efecto Ettingshausen (Termo-magneto-eléctrico) 235 Efecto de Ranke-Hilsh (Torbellino) 235 Coeficientes de efecto frigorífico 235 Máquinas frigoríficas de aire 237 Ciclo teórico 237 Ciclos reales 238 Ciclo de gas con regeneración 240 Ciclo de Carnot de un fluido condensable 241 Máquinas frigoríficas de fluidos condensables con ciclos con expansión isentálpica 242 Compresión en régimen húmedo 242 Compresión en régimen seco 243 Esquema de ciclo frigorífico con subenfriamiento en un intercambiador de calor del líquido condensado 244 pfernandezdiez.es

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Sistemas de multicompresión con refrigeración intermedia Compresión múltiple directa Formas de obtener el enfriamiento intermedio en el compresor Refrigeración intermedia exterior Temperatura límite de subenfriamiento cuando se utiliza el agua de refrigeración del condensador Inyección parcial de fluido frigorígeno Sistema de multicompresión con refrigeración intermedia y dos expansiones Inyección directa de fluido frigorígeno Sistema de enfriamiento intermedio por inyección directa de fluido frigorígeno Sistemas de doble compresión y expansión con enfriador intermedio y separador de líquido Enfriador intermedio de tipo cerrado con inyección parcial, (intercambiador de superficie) Enfriador intermedio de tipo abierto con inyección total, (intercambiador de mezcla) Compresores Relación de compresión Sistemas de compresión múltiple indirecta; refrigeración en cascada Esquema de sistema de ciclo en cascada con dos etapas de compresión Esquema de ciclo en cascada con ciclo simple y ciclo de inyección total con enfriador intermedio Expansión múltiple Instalaciones con suministro de fluido frigorígeno a distintas temperaturas Compresión simple y expansión múltiple Compresión doble directa Inyección total La presión intermedia coincide con la presión correspondiente al evaporador de alta temperatura La presión intermedia no coincide con la presión del evaporador de alta temperatura Inyección parcial Refrigeración exterior Esquema de refrigeración con efectos frigoríficos a temperaturas diferentes y refrigeración exterior Ciclos con doble laminación; separador de líquido y refrigeración exterior Esquema de ciclo con doble laminación y separador de líquido Ciclo con doble laminación y barboteo y refrigeración exterior Esquema de ciclo con doble laminación y barboteo Esquemas de ciclo con compresor rotativo de tornillo de dos rotores con sobrealimentación a) Circuito con depósito separador flash tank b) Circuito con depósito separador-subenfriador de líquido flash tank subcooler c) Circuito con intercambiador de calor de carcasa-haz tubular, shell-tube subcooler d) Circuito con un segundo evaporador Principio de funcionamiento de la bomba de calor Objetivo de la bomba de calor Producción simultánea de frúío y de calor Bomba de calor asistida por colectores solares Máquinas frigoríficas de eyector Frigoríficos de absorción Esquema de sistema de absorción (amoníaco-agua), para refrigeración Esquema modificado del frigorífico de absorción (amoníaco-agua) Frigorífico Servel.-Electrolux Esquema del funcionamiento del frigorífico Servel-Electrolux Refrigeración solar por absorción Esquema de un sistema de acondicionamiento de aire por absorción, accionado por energía solar Enfriamiento por absorción de forma intermitente Esquema de refrigerador de absorción con fuente de alimentación geotérmica Bomba de calor por absorción Anexo.- Fluidos frigorígenos Introducción Clasificación de los fluidos frigorígenos Fluidos frigorígenos Fluidos frigoríferos Freones. Nomenclatura Características de calidad de los freones pfernandezdiez.es

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244 244 245 245 245 246 245 246 246 247 247 248 249 249 250 251 252 252 252 252 253 253 253 253 253 254 254 254 255 256 256 257 257 257 257 257 258 258 258 261 262 263 264 265 267 268 269 270 271 272 272 274 274 275 275 276 276 277


Mezclas azeotrópicas; nomenclatura Mezclas zeotrópicas y cuasiazeotrópicas; nomenclatura Hidrocarburos saturados Compuestos orgánicos Regla de las fases de Gibbs Sustancia pura (componente único) Mezcla binaria, componentes, A + B Mezcla zeotrópica Diagrama de fases Diagrama termodinámico Representación del ciclo frigorífico en el diagrama de fases Mezcla azeotrópica Propiedades del refrigerante ideal Calor latente de vaporización Presión de condensación Presión de evaporación Temperatura crítica Volumen específico Temperatura de congelación Conductividad térmica Viscosidad Resistencia dieléctrica del vapor Inactividad y estabilidad Solubilidad en aceite Solubilidad en agua Características termodinámicas Temperatura de congelación a la presión atmosférica Temperatura de ebullición a la presión atmosférica Presión de condensación Presión y temperatura críticas Peso molecular, constante R y exponente de compresión isentrópica del gas Relación de presiones entre -15ºC a 30ºC Relación de compresión Temperatura de escape Eficiencia COP Volumen específico en la aspiración Desplazamiento específico Características físicas y químicas Toxicidad Inflamabilidad Reglamentación Grado de seguridad de los refrigerantes Olor Compatibilidad con materiales Compatibilidad y solubilidad con lubricantes Viscosidad y conductividad térmica Características económicas Características medioambientales Antecedentes Efecto invernadero Emisiones y fugas de los fluidos frigorígenos, GWP Consumo eléctrico del equipo refrigerador durante su vida técnica, TEWI Potencial de destrucción del ozono, ODP Sustituyentes Refrigerantes sintéticos Refrigerantes naturales El aceite en los equipos frigoríficos Propiedades de los aceites lubricantes pfernandezdiez.es

277 277 278 278 278 278 279 280 281 281 282 283 283 284 284 284 284 284 284 284 284 284 284 284 285 285 285 285 287 287 287 287 288 288 288 288 288 288 288 288 288 289 289 289 290 290 290 290 291 292 292 293 293 293 294 294 295 295 Indice.519


Lubricación de cilindros en los compresores frigoríficos alternativos Ley de Raoult Solubilidad en aceite de los diferentes fluidos frigorígenos en fase liquida Solubilidad en aceite de los diferentes fluidos frigorígenos en fase de vapor Esquema.- Circulación del aceite en sistemas de NH3 Esquema.- Circulación del aceite en sistemas de R-12 Refrigerante R-134 a Formulación Entalpía específica Entropía específica Vapor húmedo Exergía específica Tabla de propiedades termodinámicas del R134a (Vapor húmedo) Tabla de propiedades termodinámicas del R134a (Volumen específico). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del R134a (Entropía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del R134a (Entalpía). Sobrecalentamiento Diagrama (ln p,i) del R134a Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 142b (Vapor húmedo) Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 142b (Entalpía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 142b (Entropía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 124 (Vapor húmedo) Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 124 (Entalpía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 124 (Volumen específico). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 124 (Entropía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón FX10 (R408A) Mezcla azeotrópica Tabla de propiedades termodinámicas del Freón FX56 (R409A) Mezcla azeotrópica Tabla de propiedades termodinámicas del Freón FX56 (R409A) (Vol especifico). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón FX56 (R409A) (Entropía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón FX56 (R409A) (Entalpía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón FX57 (Vapor húmedo) Tabla de propiedades termodinámicas del Freón FX57 (Vol especifico). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 22 (Vapor húmedo) Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 22 (Vol especifico). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 22 (Entropía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 22 (Entalpía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 123 (Vapor húmedo) Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 123 (Entropía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 123 (Entalpía). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Freón 123 (Vol especifico). Sobrecalentamiento Tabla de propiedades termodinámicas del Vapor de amonóaco

295 296 297 297 299 299 300 302 302 302 302 303 304 307 308 309 310 311 312 313 314 315 315 316 317 318 319 320 320 321 322 323 324 324 325 326 327 327 328 329

XIV.- CRIOGENIA El fenómeno de la estrangulación Curvas y coeficiente de inversión Determinación del calor específico a presión constante de un gas Aplicación del efecto Joule.-Kelvin a la ecuación de Van der Waals Licuación de gases Licuación del aire por el método Linde Proceso Linde con presión intermedia supercrítica Proceso Linde con presión intermedia subcrítica Licuación por el método Claude Anexo.- Tratamiento industrial del aire (Antecedentes históricos) Fundamentos de la destilación

331 332 335 336 339 341 346 349 351 355 363

XV.- CICLOS DE AIRE ACONDICIONADO pfernandezdiez.es

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Introducción Condiciones de ventilación Aire húmedo Punto de rocío Humedad relativa Humedad específica Grado de saturación Tabla de propiedades termodinámicas del aire Entalpía del aire Entalpía del aire húmedo y del aire seco Entalpía del aire por debajo del punto de rocío, y por debajo del punto de congelación Peso del aire seco y del aire húmedo Psicrómetros Diagrama de Mollier del aire húmedo Diagrama psicrométrico del aire (Mollier) Diagrama psicrométrico del aire (Carrier) Mezcla de una corriente de aire y otra de agua pulverizada, en regimen permanente Proceso de saturación adiabática Mezcla adiabática Transformaciones del aire húmedo Procesos de acondicionamiento de aire Carga térmica de un local Calentamiento y refrigeración del aire sin variación de la humedad específica Enfriamiento con deshumidificación Deshumidificación con calentamiento Enfriamiento por evaporación Calentamiento con humidificación Torres de enfriamiento Equipos de aire acondicionado Instalaciones de aire acondicionado Cálculo de instalaciones Acondicionamiento de aire en invierno sin recirculación Acondicionamiento de aire en invierno con recirculación Acondicionamiento de aire en verano sin recirculación Acondicionamiento de aire en verano con recirculación

383 385 386 387 388 388 388 389 391 391 392 392 394 394 395 395 397 398 400 402 402 404 404 404 405 406 408 409 410 411 412 412 414 415 416

XVI.- COMBUSTION Introducción Balances de materia en las combustiones completas; reacciones químicas de combustión Características de los combustibles Calores de reacción y potencia calorífica Combustión estequiométrica Cálculo del poder comburívoro Volumen de aire mínimo por kg de combustible Volumen de aire mínimo por m3 de combustible Cálculo del poder fumígeno Volúmenes de humos y aire mínimo para combustibles sólidos, líquidos y gaseosos (Rosin) Formulación empírica para el cálculo del volumen de humos total Combustión con exceso o con defecto de aire Coeficiente de exceso de aire Volumen total de los gases de combustión Diagrama de Ostwald Estudio de las isolíneas del Diagrama de Ostwald Utilización del diagrama de Ostwald Construcción del diagrama de Ostwald Triángulos de la combustión perfecta para combustibles sólidos y líquidos Triángulos de combustión perfecta e imperfecta pfernandezdiez.es

Indice.521

423 424 425 426 426 426 427 427 428 429 430 430 430 431 432 433 436 437 439 440


Anexo, Problemas

441

Tablas y diagramas

453

BibliografĂ­a

513

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Indice.522


18. Índice