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Termodinámica técnica

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. Expresiones matemáticas que definen un gas perfecto. Relación entre la unidad de masa y el mol.- Leyes de Dalton y Amagat.
Concepto de gas real. Ecuaciones de estado de los gases reales. Fluidos condensables. Proyecciones de la superficie (p,v,T).- Diagramas de fases. Factor de compresibilidad. Curva y temperatura de Boyle. Otras ecuaciones del comportamiento de los gases reales. Aplicación de la ecuación del virial.- Ecuaciones cuadradas. Ecuaciones de estado cúbicas. Correlaciones generalizadas para gases. Técnicas de iteración. Factor acéntrico. Método gráfico. Método analítico. Correlaciones generalizadas para líquidos.
Naturaleza física del calor.Capacidad calorífica y Calor específico. Calores específicos de los gases. Trabajo de expansión de un gas; casos particulares. Trabajo de expansión en sistemas gaseosos; transformaciones reversibles e irreversibles. El calor de reacción estándar. El calor de formación estándar. El calor de combustión estándar.
El Primer Principio y los sistemas cerrados. Balance de energía de un sistema estacionario. Ecuaciones energéticas de un sistema. 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.
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. Procesos de calentamiento y enfriamiento. Procesos en tubos aislados, toberas y difusores. Turbinas y compresores. Efecto Joule Kelvin; líneas isoentálpicas y curva de inversión. Ecuación de Bernoulli. Formulación de Saint.-Venant. Formulación de Torricelli. Formulación de Navier para expansión isoterma. Formulación de Weisbach y Grashoff. Formulación de Zeuner. Flujos no estacionarios.
Transformaciones 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; aplicaciones. Ciclo de Carnot en el diagrama entrópico. Aprovechamiento de un salto térmico; ciclos con irreversibilidades térmicas externas; ciclo de Carnot. Energía utilizable en las transformaciones cíclicas. Ciclos con irreversibilidades internas.
Sistemas térmicamente aislados. Sistemas a temperatura y volumen constantes. Sistemas a presión y temperatura constantes. Trabajo técnico. Ecuaciones de Maxwell. Potencial químico. Ecuación de Clausius.-Clapeyron. Cambios de fase de Primer Orden. Cambios de fase de Segundo Orden; ecuaciones de Ehrenfest. Aplicaciones conjuntas de los dos Primeros Principios Termodinámicos.
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. Eficiencia exergética en intercambiadores de calor de mezcla. Ejemplos.
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. Perfil de una tobera por el método gráfico de Kolb. Flujo isoentrópico de un gas perfecto. Onda de choque normal. Onda de choque normal en conductos. Líneas de Rayleigh y 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 Rayleigh y Fanno.
Ciclo de Carnot. Ciclos de igual rendimiento al de Carnot. Ciclo Stirling. Ciclo Ericsson. Ciclos de turbinas de gas. Turbina de combustión interna; ciclo de Atkinson. Turbina de combustión interna; ciclo Brayton. Ciclo Otto.-Beau de Rochas de aire estándar. Motor de 2 tiempos. Trabajo de compresión. Trabajo de expansión. Par motor. Temperatura y presión alcanzados por la combustión. Ciclo Diesel de aire estándar. Ciclo Semidiesel.-Sabathe. Anexo.- Gasolinas.
Éstudio de los fluidos condensables. Estudio calorimétrico del vapor de agua. Diagrama de Izart. Diagrama de Mollier.
Ciclo de Carnot. Ciclo Rankine; irreversibilidades. Ciclo Rankine con sobrecalentamiento y recalentamiento. Ciclos de regeneración. Temperaturas óptimas de extracción. Ciclos binarios. Expansión en cilindros de trabajo. Ciclos Compound.
Técnicas y sistemas de producción de frío. Coeficientes de efecto frigorífico. Máquinas frigoríficas de aire; ciclo teórico. Ciclos reales. Ciclo de gas con regenerador. Ciclo de Carnot de un fluido condensable. Máquinas frigoríficas de fluidos condensables.- Ciclos con expansión isentálpica. Compresión en régimen húmedo. Compresión en régimen seco. Sistemas de multicompresión con refrigeración intermedia. Compresión múltiple directa. Formas de obtener el enfriamiento intermedio. Refrigeración intermedia exterior. Inyección parcial de fluido frigorígeno. Inyección directa de fluido frigorígeno. Sistemas de doble compresión y expansión con enfriador intermedio y separador de líquido. Enfriador intermedio de tipo cerrado con ciclo de inyección parcial. Enfriador intermedio de tipo abierto con ciclo de inyección total. Compresores. Sistemas de compresión múltiple indirecta; refrigeración en cascada. Expansión múltiple. Compresión simple. Compresión doble directa. Ciclos con doble laminación; separador de líquido y refrigeración exterior. Ciclo con doble laminación y barboteo y refrigeración exterior. Principio de funcionamiento 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. Frigorífico Servel.-Electrolux. Refrigeración solar por absorción. Bomba de calor por absorción.
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). El aire. Efecto Joule-Thomson. Expansión con trabajo esterior. Fundamentos y técnica de la destilación. Instalaciones industriales. Procedimiento Hampson. Procedimiento Linde. Procedimiento Claude. Procedimiento Heyland. Procedimiento Fraenkl. Separación de oxígeno y nitrógeno por vía química. Gases nobles.
Condiciones de ventilación. Aire húmedo. Punto de rocío. Humedad relativa. Tablas de propiedades termodinámicas del aire. Humedad específica. Grado de saturación. Entalpía del aire. Entalpía del aire húmedo y del aire seco. Entalpía del aire por debajo del punto de rocío, y del punto de congelación. Peso del aire seco y del aire húmedo. Psicrómetros. Diagrama de Mollier del aire húmedo. Mezcla de una corriente de aire y otra de agua pulverizada en régimen 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.
Balances de materia en las combustiones completas; reacciones químicas. Características de los combustibles. Calores de reacción y potencia calorífica. Combustión estequiométrica. Cálculo del poder comburívoro. Volumen de aire mínimo por Kg de combustible. Cálculo del poder fumígeno. Formulación empírica. 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. Anexo, Problemas.
Constantes termodinámicas del vapor de agua húmedo y recalentado (temperaturas, presiones, volumen, entalpía, entropía). Propiedades termodinámicas del refrigerante Freón 12 y 22 (Vapor húmedo y recalentado). Constantes termodinámicas del dióxido de azufre, del vapor de mercurio, del vapor de amoniaco y del dióxido de carbono. Diagrama de Izart del vapor de agua. Diagrama de Mollier del vapor de agua. Diagrama T-W del aire. Diagrama psicrométrico del aire. Diagrama T-S del amoniaco. Diagrama T-S del dióxido de Carbono. Diagrama P-I del dióxido de Carbono. Diagrama P-I del refrigerante 134A. Diagrama P-I del Freón 12 y 22.

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