Ingeniería térmica

Martín Llorens* Angel L. Miranda*

Ingeniería Térmica

Profesores de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Barcelona (adscrita a la UPC)

Índice general

Prólogo Capítulo 1 - Sistema T ermodinámico

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Introducción ................ ............................... ................ ............................... ....... Clasificación de los sistemas termodinámicos ............................................. Variables de estado y sistema elemental ...................................................... La temperatura ................ ................ ................ ............................... ................ . Procesos termodinámicos ............................................................................... El gas ideal ................ ............................... ................ ............................... ......... Temas de ampliación ......................................................................................

1 2 3 3 7 8 10

Capítulo 2 - Trabajo, energía interna y calor

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Introducción ............................................. ................ ............................... ......... 11 Trabajo de expansión ...................................................................................... 11 Trabajo de rozamiento .................................................................................... 15 Energía interna ................................................................................................ 16 Calor ................ ................ ............................... ................ ................ .................... 17

2.6 2.7 2.8 2.9 2.10

Entalpia .............................. ............................... ................ ............................... .. 17 Calores específicos a volumen y a presión constantes ................................ 18 Transformación adiabática reversible de un gas ideal ................................ 19 Proceso politrópico ................ ............................... ................ ........................... 21 Temas de ampliación ....................................................................................... 22

Capítulo 3 - Primer principio de la Termodinámica

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Introducción .............................................. ................ ............................... ......... 23 Primer principio aplicado a sistemas cerrados ............................................ 23 Primer principio en procesos cíclicos. Sistemas cerrados ........................... 27 Primer principio para sistemas abiertos ........................................................ 31 Primer principio en procesos cíclicos. Sistemas abiertos ............................ 34 Temas de ampliación ....................................................................................... 35

Capítulo 4 - Entropía y segundo principio

4.1

Introducción ................ ............................... ................ ............................... ........ 37

Ingeniería térmica 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11

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Enunciados de Clausius y Kelvin-Planck del segundo principio de la Termodinámica ....................................................... 40 Procesos reversibles e irreversibles ................................................................. 40 La desigualdad de Clausius ............................................................................ 41 Concepto de entropía ....................................................................................... 42 Entropía y desorden ......................................................................................... 43 Entropía de un gas ideal .................................................................................. 45 Generación de entropía y flujo de entropía .................................................. 48 Transformación de calor en trabajo mediante procesos cíclicos ................. 49 Energía utilizable. Exergía ............................................................................... 53 Temas de ampliación ....................................................................................... 60

Capítulo 5 - Transmisión de calor por conducción

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9

Introducción ............................... ............................... ................ ........................ 61 Ecuación diferencial general de la transmisión de calor por conducción .................................................................................. 62 Condiciones de contorno ................................................................................. 66 Conducción unidimensional y estacionaria en una paredplana ............... 67 Conducción unidimensional y estacionaria en una pared cilíndrica ........ 72 Conducción unidimensional radial y estacionaria en un cilindro macizo ...................................................................................... 74 Conducción unidimensional y estacionaria en una paredesférica 75 Resistencia térmica ........................................................................................... 76 Temas de ampliación ....................................................................................... 82

Capítulo 6 - Transmisión de calor por convección

6.1 6.2

Introducción ............................... ............................... ................ ........................ 85 Clasificación de los procesos de convección ................................................. 86

6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Relaciones la transferencia de calor por convección ............... 87 Conveccióntécnicas forzadade.......................................................................................... 90 Convección natural sobre diversas superficies ............................................ 99 Determinación de la temperatura final del fluido ..................................... 100 Temas de ampliación ..................................................................................... 103

Capítulo 7 - Transmisión de calor por r adiación

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8

VI

Introducción ............................... ............................... ................ ...................... 105 Física de la radiación ...................................................................................... 105 Factor de forma de la radiación .................................................................... 114 Temperatura efectiva de radiación .............................................................. 116 Intercambio de energía radiante entre dos superficies grisesdifusas 116 Fórmulas generalizadas ................................................................................. 120 Resistencia térmica asociada a la radiación ................................................ 120 Temas de ampliación ..................................................................................... 121

Índice general Capítulo 8 - Transmisión de calor en aletas

8.1 8.2 8.3

Introducción ............................... ............................... ................ .................... 123 Clasificación ................ ................ ............................... ................ .................... 124 Ecuación diferencial de las aletas longitudinales con transmisión de calor unidimensional ................................................. 125

8.4 8.5 8.6

Eficiencia una aletade.................................................................................. Eficiencia de ponderada un tubo aleteado ................................................. 130 133 Temas de ampliación .................................................................................... 134

Capítulo 9 - Transferencia de calor con cambio de f ase

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6

Introducción ............................... ............................... ................ .................... Condensación ................................................................................................ Ebullición .............................................. ................ ............................... .......... Ebullición dinámica ...................................................................................... Evaporación ................ ............................... ................ ............................... ..... Temas de ampliación ....................................................................................

135 135 145 150 151 154

Capítulo 10 - Intercambiadores de calor

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Introducción ............................... ............................... ................ .................... Clasificación ................ ................ ............................... ................ .................... Análisis térmico ............................................................................................. Eficiencia de un intercambiador de calor .................................................. Temas de ampliación ....................................................................................

157 157 l60 165 171

Capítulo 11 - Compresores

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8

Introducción ............................... ............................... ................ ..................... 173 Compresores alternativos ............................................................................. 174 Trabajos indicados ideales de compresión. Modelo de gas ideal perfecto ....................................................................... 179 Trabajos, rendimientos y potencias ........................................................ 181 Compresores adiabáticos y no adiabáticos ................................................. 183 Compresión en etapas ................................................................................... 186 Compresores de tomillo ................................................................................ 188 Temas de ampliación ..................................................................................... 189

Capítulo 12 - Ciclo Brayton

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6

Introducción ............................... ............................... ................ ..................... 191 Diagramas T-s y h-s ....................................................................................... 192 Análisis termodinàmico del ciclo Brayton con gas ideal perfecto ............ 194 Análisis termodinàmico del ciclo Brayton con gas ideal .......................... 200 Ciclo de Brayton con recuperación de la entalpia de los gases de escape de la turbina .................................................................................. 205 Temas de ampliación ..................................................................................... 206

VII