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UN PANORAMA DE LA TERMODINÁMICA ENERGÍA, TRABAJO Y CALOR Por F. A. Kulacki Profesor de ingeniería mecánica Laboratorio de Termodinámica y Transferencia de Calor Departamento de Ingeniería Mecánica University of Minnesota – Twin Cities Ayudas visuales para el instructor Número de Módulo (F A Kulacki)

Contenido

Çengel/Boles: Ingeniería termodinámica, 4/e McGraw-Hill, 2002 [CAPÍTULO MÓDULO están escritos en el texto de Çengel/Boles por capítulo]

Módulo 1: Energía, calor y trabajo. Introducción a los principios y aplicaciones de la termodinámica macroscópica en la ingeniería.

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Módulo 2: Estado y procesos de equilibrio

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Panorama general: la termodinámica en la ingeniería. Descripción macroscópica versus microscópica de la materia El punto de vista macroscópico Sistemas, estados de los sistemas, y cambios de estado por las interacciones energéticas Sistemas abiertos y cerrados Conceptos clave y temas Clases de propiedades Ecuación de estado y la superficie de estado Procesos y ciclos Procesos y estados de equilibrio –El proceso cuasiestático Ejemplos: un proceso de calentamiento y un ciclo de potencia de vapor Conceptos y términos clave

Capítulo 1 Módulo 1 Energía, calor y trabajo: introducción a la termodinámica macroscópica

Capítulo 1 Módulo 2 Estados y procesos de equilibrio

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Instructor’s Visual Aids Energy, Work and Heat: A First Course in Thermodynamics © 2002, F. A. Kulacki Page 2 of 7 Revision Date: 08/18/a Módulo 3: Aplicación del principio de equilibrio. Ley Zeroth de la termodinámica, el calor y la temperatura

Módulo 4: Trabajo

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Módulo 5: La primera ley de la termodinámica

Módulo 6: Balance de energía para sistemas cerrados. La primera ley y el calor

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Módulo 7: Trabajo cíclico. El equivalente mecánico del calor

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Módulo 8: Análisis de los ciclos de energía

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Temperatura y calor Definición calórica de la temperatura La Ley Zeroth de la termodinámica Medida de la temperatura –termometría y escalas de temperatura Conceptos y términos clave Procesos y sistemas de interacción con el ambiente Definición general del trabajo: trabajo mecánico Trabajo en un sistema en la frontera: transferencia de trabajo Evaluación de la transferencia de trabajo en un sistema en la frontera Trabajo en un proceso de expansión: trabajo pdV Conceptos y términos clave Trabajo adiabático Equivalencia de procesos adiabáticos Enunciado de la primera ley La función de energía interna Conceptos y términos clave Definición del calor por medio de la primera ley: el resultado de procesos no adiabáticos Balances de energía: ejemplos Procesos cíclicos: la equivalencia del calor y el trabajo cíclicos Conceptos y términos clave Resultados de la primera ley El equivalente mecánico del calor: el experimento de Joule Procesos cíclicos Conceptos y términos clave Procesos cíclicos cuasiestáticos: análisis de la primera ley y la equivalencia del calor y el trabajo cíclicos Ciclos productores de trabajo

Capítulo 1 Módulo 3 Aplicación del principio de equilibrio

Capítulo 3 Módulo 1 Trabajo

Capítulo 4 Módulo 1

Capítulo 4 Módulo 2

Capítulo 4 Módulo 3

Capítulo 4 Módulo 4

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Instructor’s Visual Aids Energy, Work and Heat: A First Course in Thermodynamics © 2002, F. A. Kulacki Page 3 of 7 Revision Date: 08/18/a ¾ Ciclos consumidores de trabajo ¾ Análisis del ciclo general: interacciones térmicas con el ambiente ¾ Eficiencia térmica basada en la primera ley ¾ Conceptos y términos clave Módulo 9: Evaluación de las propiedades ¾ El principio de estado: descripción del estado termodinámicas. La superficie P-V-T del agua termodinámico ¾ Sistemas simples compresibles ¾ Superficies P-v-T ¾ La superficie P-v-T del agua ¾ Equilibrio de calidad y vapor líquido ¾ Conceptos y términos clave Módulo 10: Aspectos adicionales de la superficie P- ¾ Características generales de la superficie P-v-T V-T del agua del agua ¾ La región de punto crítico ¾ La región de líquido comprimido ¾ Entalpía ¾ Calores específicos: Cp y Cv ¾ Conceptos y términos clave Módulo 11: Ecuaciones de estado para gases ¾ Definición de gas ¾ El gas ideal: relación P-v-T ¾ La constante universal de gas ¾ Energía interna y entalpía de un gas ideal ¾ Calor específico de un gas ideal ¾ El gas perfecto ¾ Gases reales: el factor de compresibilidad ¾ Conceptos y términos clave Módulo 12: Procesos que involucran gases ideales ¾ Procesos politrópicos: cálculo del trabajo efectuado ¾ Procesos a presión constante ¾ Conceptos y términos clave Módulo 13: Análisis 1 de sistemas abiertos: ¾ Sistemas abiertos conservación de la masa ¾ Flujo estable e inestable en volumen de control ¾ El principio de balance general: formulación por partes ¾ El principio de balance general: formulación integral ¾ Conservación de la masa: forma integral

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Capítulo 2 Módulo 1

Capítulo 2 Módulo 2

Capítulo 2 Módulo 3

Capítulo 3 Módulo 2

Capítulo 3 Módulo 3 Análisis 1 de sistemas abiertos: conservación de la masa

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Instructor’s Visual Aids Energy, Work and Heat: A First Course in Thermodynamics © 2002, F. A. Kulacki Page 4 of 7 Revision Date: 08/18/a ¾ Velocidades promedio ¾ Conceptos y términos clave Módulo 14: Análisis 2 de sistemas abiertos: ¾ Flujo de energía en una superficie de control conservación de la energía, formulación por partes ¾ Aplicación de la primera ley ¾ Flujo de trabajo ¾ El principio de balance general ¾ Conceptos y términos clave Módulo 15: Análisis 3 de sistemas abiertos: ¾ Consideraciones generales para la forma conservación de la energía, formulación integral integral del balance de energía: energía de convección y flujo de trabajo en la superficie de control ¾ El balance integral de energía ¾ Forma de entalpía del balance integral de energía ¾ Conceptos y términos clave Módulo 16: Componentes 1 de sistemas de energía. ¾ Inyectores: suposiciones clave y el balance de Inyectores y difusores energía para una operación adiabática y diabática. ¾ Difusores. Suposiciones clave y balance de energía para operación adiabática y diabática. ¾ Conceptos y términos clave Módulo 17: Componentes 2 de sistemas de energía. ¾ Principio de operación Dispositivos estranguladores ¾ Balance de energía ¾ Conceptos y términos clave Módulo 18: Bombas y compresores Módulo 19: Componentes 4 de sistemas de energía. Turbinas Módulo 20: Componentes 5 de sistemas de energía: intercambiadores de calor

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Compresores Bombas Conceptos y términos clave Principios básicos de operación Suposiciones para el análisis de turbinas Ecuaciones de conservación Conceptos y términos clave Tipos genéricos de intercambiadores de calor Análisis general del tubo y concha intercambiadores de calor Análisis general del intercambiador de calor con fluidos mezclados Conceptos y términos clave

Capítulo 4 Módulo 5 Análisis 2 de sistemas abiertos: conservación de la energía, formulación parcial Capítulo 4 Módulo 6 Análisis 3 de sistemas abiertos: conservación de la energía, formulación integral

Capítulo 4 Módulo 7 Dispositivos de ingeniería de flujo estable y difusores

Capítulo 4 Módulo 8 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: dispositivos estranguladores Capítulo 4 Módulo 9 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: bombas y compresores Capítulo 4 Módulo 10 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: turbinas Capítulo 4 Módulo 11 Dispositivos de ingeniería de flujo estable: intercambiadores de calor

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Instructor’s Visual Aids Energy, Work and Heat: A First Course in Thermodynamics © 2002, F. A. Kulacki Page 5 of 7 Revision Date: 08/18/a Módulo 21: Procesos transitorios ¾ Llenado de un contenedor cerrado ¾ Balances de masa y energía ¾ Sistemas evacuados inicialmente ¾ Sistemas con masa inicial ¾ Conceptos y términos clave Módulo 22: La segunda ley de la termodinámica-1 ¾ Expansión-compresión restringida adiabática La dirección de los procesos físicos de los gases- aplicación de la primera ley y la de Zeroth ¾ Cuestiones importantes acerca del regreso al estado de equilibrio inicial ¾ Expansión de un gas con transferencia de trabajo; aplicación de la primera ley y la de Zeroth ¾ Cuestión importante acerca de la recuperación del trabajo transferido durante la expansión ¾ Otros procesos naturales ¾ Experiencias comunes ¾ Una conjetura general acerca de la existencia de un principio natural pertinente a los procesos naturales ¾ Conceptos y términos clave Módulo 23: La segunda ley de la termodinámica-2. ¾ Algunas características generales acerca de Observaciones adicionales acerca de la naturaleza procesos espontáneos o naturales. Expansiones de los procesos y ciclos no restringidas; expansión con trabajo externo; y transferencia estable de calor sin transferencia de trabajo ¾ Extrapolación de las ideas fundamentales ¾ Máquinas cíclicas de calor. Eficiencia de la primera ley y la necesidad de la eliminación de calor. ¾ Bases observacionales de la segunda ley ¾ Enunciado de Clausius de la segunda ley ¾ Enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley ¾ Conceptos y términos clave Módulo 24: La segunda ley de la termodinámica-3. ¾ Enunciado de Clausius Equivalencia de los enunciados de Kelvin-Planck ¾ Enunciado de Kelvin-Planck de la segunda ley ¾ Equivalencia –Consistencia interna de los dos enunciados de la segunda ley

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Capítulo 4 Módulo 12 Balance de energía para procesos de flujo inestable

Capítulo 5 Módulo 1. Introducción a la Segunda Ley – La dirección de los procesos físicos

Capítulo 5 Módulo 2 La segunda ley de la termodinámica– Observaciones adicionales acerca de la naturaleza de los procesos y ciclos

Capítulo 5 Módulo 3 La segunda ley de la termodinámica– Equivalencia de los enunciados de Kelvin-Planck

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Instructor’s Visual Aids Energy, Work and Heat: A First Course in Thermodynamics © 2002, F. A. Kulacki Page 6 of 7 Revision Date: 08/18/a ¾ Conceptos y términos clave Módulo 25: Procesos reversibles e irreversibles ¾ La segunda ley, en breve ¾ Consecuencias de la segunda ley ¾ Procesos reversibles ¾ Procesos irreversibles ¾ Condición para la reversibilidad ¾ Procesos interna y externamente reversibles ¾ Ejemplos: expansión libre de un gas, fusión del hielo y la transferencia estable de calor ¾ La prueba de la irreversibilidad ¾ Conceptos y términos clave Módulo 26: Ciclos reversibles. El ciclo de carnot.

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Capítulo 5 Módulo 5 La segunda ley de la termodinámica- Ciclos Reversibles- El ciclo de Carnot

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Ciclos de potencia y el enunciado de KelvinPlanck de la segunda ley ¿Qué es un ciclo de potencia reversible y cómo se mide su rendimiento? El ciclo de Carnot: un ciclo reversible por completo Conceptos y términos clave

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Los procesos del ciclo de Carnot Primer corolario de Carnot Segundo corolario de Carnot Refrigeradores y bombas de calor Escala Kelvin de temperatura Ejemplos Conceptos y términos clave El ciclo de Carnot Corolarios de Carnot El teorema de Clausius Entropía y la segunda ley Conceptos y términos clave El teorema de Clausius Entropía Analogía entre la primera ley y la segunda Las ecuaciones T-dS Conceptos y términos clave Irreversibilidad

Capítulo 5 Módulo 6 Segunda ley de la termodinámica – Análisis del ciclo de Carnot

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Módulo 27: Análisis del ciclo de carnot

Módulo 28: Entropía: la propiedad determinada por la segunda ley

Módulo 29: Las ecuaciones T-dS

Módulo 30: Irreversibilidad

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Capítulo 5 Módulo 4 La segunda ley de la termodinámica- Procesos reversibles e irreversibles

Capítulo 5 Módulo 7 La segunda ley de la termodinámica- Principios de Carnot Capítulo 6 Módulo 2 Entropía

Capítulo 6 Módulo 2

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Instructor’s Visual Aids Energy, Work and Heat: A First Course in Thermodynamics © 2002, F. A. Kulacki Page 7 of 7 Revision Date: 08/18/a ¾ Incremento del principio de entropía ¾ Conceptos y términos clave Módulo 31: La desigualdad de Clausius ¾ Entropía ¾ El incremento del principio de entropía ¾ La desigualdad de Clausius ¾ Ejemplos ¾ Conceptos y términos clave Módulo 32: Balances de entropía para sistemas ¾ Entropía e irreversibilidad cerrados ¾ La desigualdad de Clausius ¾ Balances de entropía para sistemas cerrados ¾ Producción de entropía ¾ Conceptos y términos clave Módulo 33: Balances de entropía para Sistemas ¾ Repaso de los conceptos clave abiertos ¾ Ejemplos ¾ Eficiencia isentrópica ¾ Balances de entropía para sistemas abiertos ¾ Conceptos y términos clave Módulo 34: Comentario sobre la segunda ley ¾ Uso de las ecuaciones T-ds ¾ Balances de entropía ¾ Eficiencia isentrópica; turbinas y compresores ¾ Disponibilidad; breve introducción ¾ Conceptos y términos clave

La irreversibilidad y el incremento del principio de entropía Capítulo 6 Módulo 3 Entropía– La desigualdad de Clausius

Capítulo 6 Módulo 4 Entropía– El balance de entropía para sistemas cerrados Capítulo 6 Módulo 5 Entropía– Balance de entropía para sistemas abiertos Capítulo 6 Módulo 6 Entropía; eficiencia isentrópica y breve introducción a la disponibilidad

(End of Instructor’s Visual Aids at Module 34)

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