Termindinámica aplicada (1)

7/26/2019 Termindinmica aplicada (1)

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Programa de Formacin Regular TERMODINMICA APLICADA

TECNOLOGA MECNICA ELCTRICA


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PLAN DE SESINEl presente texto de trabajo se ha elaborado

con informacin tomada de los siguientes autores

especializados en la materia y que Ud. Encontrar

en la biblioteca de TECSUP excepto Yunes Cengel:

Termodinmica. Sexta ecdicin.

Kenneth Wark. Jr

Donald E. Richards.

Termodinmica. Sptimas edicin.

Yunes A. Cengel.

Michael A. Boles

Mquinas Trmicas.

Juan Carlos Goi G.

TERMODINMICA APLICADA A LA

INGENIERA MECNICATEXTO DE TRABAJO

1 EVALUACIN DE ENTRADA

2 CASO DE ESTUDIO

3 DESARROLLO DE LOS

CONTENIDOS.

4 BIBLIOGRAFA

5 HOJA DE TRABAJO

6 RETROALIMENTACIN

7 EVALUACIN DE SALIDA

8 EXTENSIN.


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AGODTO- NOVIEMBRE 2015

UNIDAD I:

CONCEPTOS Y DEFINICIONES BSICAS

SEMANA N 01:

TERMODINMICA.

ESCALAS DE TEMPERATURA

CALOR SENSIBLE. CALOR LATENTE

ENTALPA

ENTROPA. TRANSFORMACIONES TERMODINMICAS.

SEMANA N 02:

ESTADOS TERMODINMICOS.

PROCESOS TERMODINMICOS.

PROPIEDADES TERMODINMICAS.

SISTEMAS TERMODINMICOS

UNIDAD II:

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA Y EL POSTULADO DE ESTADO

NDICE DE CONTENIDOS

POR UNIDADES:


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SEMANA N 03:

TERMODINMICA.

ESCALAS DE TEMPERATURA CALOR SENSIBLE.

CALOR LATENTE

ENTALPA

ENTROPA.

TRANSFORMACIONES TERMODINMICAS.

SEMANA N 04:

Entalpa y capacidades tcnicas especficas.

Conservacin de la energa para sistemas simples

compresibles cerrados.

UNIDAD III:

PROPIEDADES FSICAS DE LA SUSTANCIA PURA

SEMANA N 05:

La superficie P v T.

Diagrama de PresinTemperatura. Diagrama de presin - volumen

Tabla de propiedades de la sustancia pura.

UNIDAD IV:

COMBUSTIN Y TERMOQUMICA

SEMANA N 06:

Estequiometra de las reacciones.

Procesos de combustin reales.

UNIDAD V:

CICLOS DE POTENCIA DE GASES

SEMANA N 07:

CICLO DE AIRE EATNDAR.

CICLO DE CARNOT DE AIRE ESTNDAR. EL CICLO OTTO DE AIRE ESTNDAR.

EL CICLO DIESEL DE AIRE ESTNDAR Y EL CICLO DUAL.


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SEMANA N 08:

CICLO DE BRAYTON DE AIRE ESTNDAR.

LA EFICIENCIA ADIABTICA DE DISPOSITIVOS DE

TRABAJO.

CICLO REGENERATIVO DE LA TURBINA A GAS. PROCESO POLITRPICO

SEMANA N 09:

ANLISIS DE COMPRESORES EN FLUJO ESTABLE.

CICLOS DE TURBINAS DE GAS CON ENFRIAMIENTO

INTERMEDIO Y RECALENTAMIENTO.

TOBERAS Y DIFUSORES.

UNIDAD VI:

CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR

SEMANA N 10:

CICLO DE CARNOT

CICLO DE RANKINE.

CICLO DE RECALENTAMIENTO IDEAL.

SEMANA N 11:

CICLO REGENERATIVO IDEAL.

EFECTO DE LAS IRREVERSIBILIDADES.

UNIDAD VII:

SISTEMAS DE REFRIGERACIN

SEMANA N 12:

CICLO DE CARNOT INVERTIDO.

CICLO DE REFRIGERACIN POR COMPRESIN DE

VAPOR.

LA BOMBA DE CALOR.

SEMANA N 13:

SISTEMAS DE COMPRESIIN DE VAPOR EN CASCADA

Y EN ETAPAS MLTIPLES


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UNIDAD VIII:

INTERCAMBIADORES DE CALOR

SEMANA N 14:

INTERCAMBIADORES.

INTERCAMBIADORES DE FLUJO CRUZADO.

CONDENSADORES Y EVAPORADORES.

SEMANA N 15:

INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y TUBO.

INTERCAMBIADORES DE FLUJO CRUZADO.

CONDENSADORES Y EVAPORADORES.SEMANA N 16:

COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE LOS MATERIALES


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CONCEPTOS Y DEFINICIONES

BSICAS

AGOSTO-DICIEMBRE

2015

CAPACIDADES A DESARROLLAR:

UNIDAD

I


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UNIDAD I:


SEMANA N 01:

TERMODINMICA.


CALOR SENSIBLE.

CALOR LATENTE

ENTALPA

ENTROPA.


SEMANA N 02:

ESTADOS TERMODINMICOS. PROCESOS TERMODINMICOS.

PROPIEDADES TERMODINMICAS.

SISTEMAS TERMODINMICOS


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UNIDAD I:


1.1.TERMODINMICA.

La termodinmica se puede dfinir como la ciencia de la energa. Aunque todo el

mundo tiene ideade lo que es la energa, es difcil de definirla de forma precisa. La

energa se puede considerar como la capacidad para causar cambios.

El trmino termodinmica proviene de las palabras griegas therme(calor) y dynamis

(fuerza), lo cual corresponde a lo ms desccriptivo de los primeros esfuerzos por

convertir el calor en energa. En la actualidad, el concepto se interpreta de manera

amplia para incluir los aspectos de energa y sus transformaciones, incluida lageneracin de potencia, la refrigeracin y las relaciones entre las propiedades de la

materia.

Una de las ms importantes y fundamentales leyes de lanaturaleza es el principio de

conservacin de la energa. ste expresa que durante una interaccin, la energa

puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante. Es

decir, la energa no se crea ni se destruye. Una roca que cae de un acantilado, por

ejemplo, adquiere velocidad como resultado de sue nerga potencial convertida en

energa cintica.


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1.2.ESCALAS DE TEMPERATURA

La escala de temperatura absoluta empleada por cientficos e ingenieros en el SI es la

escala Kelvin. Desde 1954 se ha venido recomendando en una conferencia

internacional la asignacin del valor de 273,16 en la escala Kelvin de temperatura a un

estado de referencia tal que el agua slida, lquida y gaseosa coexiste en equilibrio. Un

estado en el que coexiste en equilibrio tres fases de una sustancia pura se llama

estado triple(o punto triple) de la sustancia. El punto triple del agua es 0.01 K mayor

que el punto normal de congelacin, o de hielo, del agua. As, el agua se congela a

273.15 K (a 1 atm), que se define como 0 C en la escala Celcius de temperatura. As,

la escala Celcius se relaciona con la escala Kelvin mediante:

() = () 273.15

Ntese que un incremento de temperatura tiene el mismo valor en cualquiere de las

dos escalas. En este texto se redondear con frecuencia el valor de 273.15 a 273,

cuando no se necesite mucha precisin.

En el sistema USCS hay dos escalas de temperatura adicionales, la escala Rankiney la

escala Fahrenheit.La temperarura en grados Rankine (R) se define arbitrariamente

como 1.8 veces la temepratura en kelvin. Por tanto:

() = 1.8 ()

Con respecto a los incrementos de temperartura, se ve que 1 K = 1.8 R. La

temperatura del punto triple del agua es, por tanto, 491.69 R. La escala Fahrenheit

T(F) se define como:

() = () 459.67

En este teto se redondea con frecuencia el valor de 459.67 a 460. Por ltimo, cuando

se sustituyen las ecuaciones, se obtiene lo siguiente:

() = 1.8 () + 32

Esta ecuacin muestra que el agua a 1 atm se congela a 32 F. En la siguente figurase

muestra una comparacin entre estas cuatro escalas de temperatura. Ntese en la

figura que emdidas recientes basadas en un termmetro de gas a volumen constante

indican que el punto normal de ebullicin del agua (a 1 atm) es 99.97 C, o 211.95 F.

En las relaciones termodinmicas, el smbolo T para la temperatura siempre indica un

valor de temperatura absoluta (Kelvin o grados Rankine), a menos que se establezca

especficamente en funcin de las otras escalas.


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1.3.TRANSFERENCIA DE ENERGA POR CALOR: CALOR SENSIBLECALOR LATENTE

El calor se defines como la forma de enrga que se transfiere entre dos sistemas (o

entre un sistema y el exterior) debido a una diferencia de temperatura figura. Es decir,

una interaccin de energa ser calor slo si ocurre debido a una diferencia de

temperatura. Entonces se deduce que no puede haber ninguna transferencia de calor

entre dos sitemas que se hallan a la misma temperatura.

Varias frases de uso comn flujo de calor, adiccin ,de calor, rechazon de calor,

absorcin de calor, eliminacin de calor, ganancia de calor, prdida de calor,

almacenamiento de calor, generacin de calor, calentamiento elctrico, calentamiento

mediante resistencias, calentamiento por friccin, calentamiento por gas, calor de

reaccin, libeeracin de calor, calor especfico, calor sensible, calor latente, calor dedesecho, calor del cuerpo, calor de proceso, sumidero de calor y fuente de calor, no

son congruentes con el estricto significado termodinmico de calor trmico cuyo uso

de limita a las transferencia de energa trmica durante un proceso.

Para fundir un slido o vaporizar un lquido se requiere una gran cantidad de enega.

La cantidad de sta que es absorbida o liberada durante el proceso de cambio de fase

se llama calor latente. Especficamente, la cantidad de energa absorbida durante la

fusin se llama calor latente de fusiny equivale a la cantidad de energa liberada

durante la congelacin. De modo similar, la cantidad de energa absorbida durante la

evaporacin se llama calor latente de evaporaciny es equivalente a la energaliberada durante la condensacin. Las magnitudes de los calores latentes dependen de

la temperatura o presin en la que sucede el cambio de fase: a 1 atm de presin, el

calor latente de fusin del agua es de 333.7 KJ/Kg, mientras que el de evaporacin es

de 2256.5 KJ/kg.

Durante un proceso de cambio de fase, resultaobvio que la presin y la temperatura

son propiedades dependientes y que hay una relacin definida entre ellas, es decir,

= (). Una grfica de en funcin de , como la Figura 3-12se llama

curva de saturacin de lquido-vapor. Una curva de esta clase es caracterstica de

todas las sustancias puras.

Tras observar la figura 3-12, tambin resulta claro que se incrementa con y

que, en consecuencia, una sustancia a mayores presiones hervir a temperatura ms

altas. En la cocina, temperaturas de ebullicin ms altas significan tiempos de coccin

ms cortos y ahorros de energa. Por ejemplo, el conocimiento de un estofado de res

puede requerir de una a dos horas en una cacerola normal que funciona a una presin

de 1 atm, pero slo 20 minutos en una olla a presin que funciona a una presin

absoluta a 3 atm (temperatura de ebullicin correspondiente:134 C).


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1.4.ENTALPA

En el anlisis de cierto tipo de procesos, particularmente en la generacin de potencia

y en refrigeracin FIGURA 3-26, a menudo se encuentra la combinacin de

propiedades + . Para simplificar y por conveniencia, esta combinacin se define

como una nueva propiedad, entalpa, la cual se representa mediante :

= + (/)

O bien,

= + ()

Tanto la entalpa H, como la entalpa especfica h, se indican simplemente como

entalpa, ya que el contexto aclarar de cual se habla. Observe que las ecuaciones

anteriores son dimensionalmente homogneas, es decir, la unidad del produco

presin-volmen difiere de la unidad de la energa interna tal vez en un solo factor (fig.

3-27). Por ejemplo, es f+acil mostrar que 1 = 1 . En algunas tablas no se

incluye la energa interna u, pero se determina a partir de = .


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El extendido uso de la propiedad entalpa se debe al profesor Richard Mollier, quien

reconoci la importancia del grupo + en el anlisis de turbinas de vapor y en la

representacin de las propiedades del vapor de agua en forma tabular y grfica (como

en el famoso diagrama de Mollier). Mollier se refiri al grupo + como contenido

de calor y calor total, trminos que no eran miy congruentes con la temrinologa de la

termodinmica moderna por lo que se sustituyeron en la dcada de los terinta por el

trmino entalpa(de la plabra griega enthalpienque significa calentar).

1.5.ENTROPA.

La entropa es una propiedad extensiva de un sistema y a veces es llamada entropa

total, mientras que la entropa por unidad de masa ses una propiedad intensiva y

tiene la undiad / . Generalmente, el trmino entropaes usado parareferirse a ambas: a la total y a la de por undiad de masa, ya que el contexto

normalmente esclarece de cul se tarta.

La entropa puede verse como una medida de desorden molecualar, o aleotoreidad

molecular. Cuando un sistema se vuelve ms desordenado, las posicioens de las

molculas son menos predecibles y la entropa de uan sustancia sea ms baja en al

fase slida y ms alta en la gaseosa (Figura 7-20). En la slida, las molculas de una

sustancia oscilan continuamente en sus posiciones de equilibrio, pero les es imposible

moverse unas respecto de las otras, por lo que su posicin puede predecirse en

cualquier momento con certeza. Sin embargo, en al gaseosa, las molculas se muevenal azar, chocan entre s y cambian de direccin, lo cual hace sumamente difcil predecir

con precisin el estado microscpico de un sistema en cualquier instante. Asociado a

este caos molecular, se encuentra un valor alto de entropa.


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1.6.TRANSFORMACIONES TERMODINMICAS.

Se denomina prodeso temridinmico a la evolucin de un determinado sistema, para

su estudio se observa la variacin de determinadas magnitudes termodinmicas. Estas

transformacionesd deben transcurrir desde un estado inicial a otro final; es decir, las

magnitudes que sufren una varicin al pasar de un estado a otro deben estar

perfectamente definidas en dichos estado inicial y final. Un proceso termodinmico

puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales

hasta otras finales, debidos a la desestabilizacin del mismo.

a. Proceso iscoro

Un proceso iscoro es un proceso termodinmico en el cual el volumen

premanece constante; = 0. Esto implica que el proceso no se realiza trabajo

presin-volumen, ya que ste se define como = , donde P es la presin. El

primer principio de la termodinmica lo escribiremos as: = .En un proceso iscoro todo el calor que transferimos al sistema se sumar a su

energa interna.

b. Proceso adibtico

En l no hay intercambio de calor con el entorno. En estos procesos la variacin de

energa coincide con el trabajo: = .

El calentamiento y enfriamiento adiabtico son procesos que comnmente se dan

debido al cambio en la presin de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la

ley de los gases ideales: = .

c. Proceso isbaro

Es un proceso que ocurre a presin constante; en general podr haber realizacin

de trabajo ( = ). La variacin de energa interna en este caso ser :

= +

d. Proceso isotrmico

En este tipo de procesos la temperatura se mantiene constante. Si hablamos de un

gas ideal (sin fuerzas entre sus partculas), como la energa interna depender slo

de la energa cintica de sus partculas, no variar la energa interna en estos

procesos por lo que: = + .


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1.7.ESTADOS TERMODINMICOS.

a. LQUIDO COMPRIMIDO Y LQUIDO SATURADO

Considera un dispositivo de cilindro-mbolo que contiene agua lquida a 20 C y 1

atm de presin (estado 1, Figura 3-26). En estas condiciones el agua existe en fase

lquida y se denomina lquido comprimido o lquido subenfriado, lo cual significa

que no est a punto de evaporarse. Se transfiere calor al agua hasta aumentar su

temperatura a, por ejemplo, 40 C. A medida que aumenta la temperatura, el agua

lquida se expande un poco y por consiguiente aumenta su volumen especfico.

Entonces, debido a esta expansin el mbolo sube ligeramente. La presin en el

cilindro permanece constante a 1 atm durante este proceso porque depende de la

presin baromtrica externa y el peso del mbolo, que son constantes. El agua es

an lquido comprimido en este estado puesto que no ha comenzado aevaporarse.

Conforme se transfiere ms calor, la temperatura aumenta hasta alcanzar 100 C

(estado 2, figura 3-7), punto en que el agua todava permanece lquida, pero

cualquier adicin de calor hace que se evaporice algo de agua; es decir, est a

punto de tener lugar un proceso de cambio de fase de lquido a vapor. Un lquido

que est apunto de evaporarsese llama lquido saturado; as, el estado 2

corresponde al de un lquido saturado.


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b. VAPOR SATURADO Y VAPOR SOBRECALENTADO

Una vez que empieza la ebullicin, el aumento de temperatura se detiene hasta

que se evapora todo el lquido. Es decir, si la presin se mantiene constante,

durante el proceso de cambio de fase la temperatura tambin lo har. Es fcil

comprobar lo anterior al colocar un termmetro en agua pura que hierve sobre

una estufa. A nivel del mar ( = 1 ), el termmetro siempre indicar 100 C si

la cacerola est tapada o no con una tapa ligera. Durante un proceso de ebullicin,

el nico cambio observable es un gran aumento en el volumen y una disminucin

constante en el nivel del lquido como resultado de una mayor cantidad de ste

convertido en vapor.

Casi la mitad de la lnea de evaporacin (estado 3, figura 3-8), el cilindro contiene

cantidades iguales de lquido y vapor. Conforme contina la transferencia de calor,el proceso de evaporacin continuar hasta evaporarse la ltima gota (estado 4,

figura 3-9). En este punto el cilindro est lleno de vapor, el cual se halla en el

borde de la fase lquida. Cualquier cantidad de calor que pierda este vapor har

que se condense (cambio de fase de vapor a lquido). Un vapor que est apunto

de condensarsese llama vapor saturado; por lo tanto, el estado 4 es un estado de

vapor saturado, y una sustancia entre los estados 2 y 4 se conoce como vapor

hmedo o una mezcla saturada de lquido-vapor, debido a que en estos estados

lasfases lquida y vapor coexistenen equilibrio.

Una vez completado, el proceso de cambio de fase termina y se alcanza una regin

de una sola fase (esta vez vapor). En este punto, transferir ms calor da como

resultado un aumento de temperatura y de volumen especfico (figura 3-10). En el

estado 5 la temperatura del vapor es, por ejemplo, 300 C, si se transfiere algo de

calor del vapor, la temperatura permanezca por encima de 100 C (para =

1 ). Un vapor que no est a punto de condensarse(es decir, no es vaporsaturado) se denomina vapor sobrecalentado; por lo tanto, el agua en el estado 5


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es un vapor sobrecalentado. El ejemplo descrito de un proceso de cambio de fase

a presin constante se ilustra en la figura 3-11a partir de un diagrama T-v.

1.8.PROCESOS TERMODINMICOS.

Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por un sistema es

un proceso, y la serie de estado por los que pasa un sistema durante este proceso es

una trayectoriadel proceso (figura 1-30). Para describir completamente un proceso se

deben especificar sus estados inicial y final, as como la trayectoria que sigue las

interacciones con los alrededores.


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Cuando un proceso se desarrolla de tal manera que todo el tiempo el sistema permanece

infinitesimalmente cerca de un estado de equilibrio, estamos ante un proceso

cuasiesttico, o de un cuasiesquilibrio. Un proceso de este tipo puede considerarse lo

sufrientemente lento como para permitirle al sistema ajustarse internamente de modo

que las propiedades de una de sus partes no cambie ms rpido que las de otras.

Esto se ilustra en la figura 1-31. Cuando un gas en un dispositivo de cilindro-mbolo se

comprime de forma repentina, las molculas cercanas a la superficie del mbolo no

tendr suficiente tiempo para escarpar y se concentrarn en una pequea regin frontal

del mbolo, de modo que ah se crear una regin de alta presin. Como resultado de

esta diferencia de presin, ya no se puede decir que el sistema est en equilibrio, lo cual

hace que todo el proceso no sea de cuasiequilibrio. Sin embargo, si el mbolo se mueve

lentamente, las molculas tendrn tiempo suficiente para redistribuirse y no habr

concentracin de molculas al frente del mbolo. Como resultado, la presin dentro del

cilindro siempre ser uniforme y aumentar con la misma rapidez en todos los lugares,Puesto que el equilibrio se mantiene todo el tiempo, se trata de un proceso de

cuasiequilibrio.

Se debe sealar que un proceso de cuasiequilibrio es un caso idealizado y no corresponde

a una representacin autntica de un proceso real. No obstante, muchos procesos reales

se aproximan bastante y es posible moderarlos como de cuasiequilibrio con un margen de

error insignificante. Los ingenieros se interesan en este tipo de procesos por dos razones:

primera, son fciles de analizar, y segunda, los dispositivos que producen trabajo tienen

un mejor rendimiento cuando operan con procesos de cuasiequilibrio. Por lo tanto, sirvencomo estndares con los que se puede comparar a los reales.

Los diagramas de proceso trazados mediante el empleo de propiedades termodinmicas

en forma de coordenadas son muy tiles para tener una representacin visual del

proceso. Algunas propiedades comunes usadas como coordenadas son temperatura T,

presin P y volumen V (o volumen especfico v). En la figura 1-32se muestra el diagrama

P-V de un proceso de compresin de un gas.


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Observe que la trayectoria del proceso indica una serie de estados de equilibrio por los

que pasa el sistema durante un proceso, y que nicamente tiene importancia para

procesos de cuasiequilibrio; para otros procesos no es posible caracterizar el sistema

completo mediante un solo estado, por lo que carece de sentido hablar de un trayectoria

se denota con una lnea discontinua entre los estados inicial y final en lugar de un lnea

continua.

El prefijo iso-se usa con frecuencia para designar un proceso en el que una propiedad

particular permanece constante. Por ejemplo, un proceso isotrmicoes aquel durante el

cual la temperatura Tpermanece constante; un proceso isobricoes en el que la presin

Pse mantiene constante, y un proceso isocrico (o isomtrico) es aquel donde el

volumen especfico Vpermanece constante.Se dice que un sistema ha experimentado un ciclosi regresa a su estado inicial al final del

proceso, es decir, para un ciclo los estados inicial y final son idnticos.


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1.9.PROPIEDADES.

Una propiedad es una caracterstica de un sistema, y su valor es independiente de la

historia del sistema. Con frecuencia el valor de una propiedad es directamente

mensurable. En otros casos, se define una propiedad como combinacin matemtica

de otras propiedades. Un tercer tipo de propiedad incluye a aquellas definidas

mediante las leyes de la Termodinmica. Ejemplos de propiedades son la presin, la

temperatura, la masa, el volumen, la densidad, la conductividad elctrica, la velocidad

del sonido y el coeficiente de dilatacin trmica. El valor de una propiedad es nico y

est fijado por la condicin del sistema en el momento de la medida. Ntese que los

valores de las propiedades llevan asociadas unas dimensiones. Adems, los valores

numricos de las propiedades dependen del conjunto de unidades utilizado.

Las propiedades se clasifican en extensivas o intensivas. Considrese un sistemadividido arbitrariamente en un conjunto de subsistemas. Una propiedad es extensiva

si su valor para todo el sistema es la suma de los valores de los distintos subsistemas o

partes. El volumen V, la energa Ey la cantidad de carga elctrica Q, son ejemplos de

propiedades extensivas. Generalmente las letras maysculas designan propiedades

extensivas (siendo la masa mla principal excepcin). Al contrario que las propiedades

extensivas, las propiedades intensivastienen valores independientes del tamao o de

la cantidad de masa del sistema. Las propiedades intensivas tienen un valor en un

punto. Si se divide arbitrariamente un sistema monofsico en equilibrio en npartes, el

valor de una propiedad intensiva determinada ser el mismoen cada uno de los n

subsistemas. As, las propiedades intensivas tienen el mismo valor en cualquier partede un sistema en equilibrio. La temperatura, la presin, la densidad, la velocidad y la

concentracin qumica son ejemplos de propiedades intensivas.

La figura 1.5ilustra el concepto de propiedades extensivas e intensivas. La lnea

discontinua representa una subdivisin arbitraria global en dos subsistemas, 1 y 2.

Cuando una propiedad extensiva Ydel sistema global se divide por la masa mdel

mismo, la propiedad resultante se denomina propiedad especficay se le asigna el

smbolo y. As = /. Una propiedad especfica es una propiedad intensiva. El

volumen especfico = /y la energa especfica ( /)son ejemplos de

estas propiedades. Las letras minsculas representan propiedades intensivas y

especficas, siendo las excepciones ms notables la presin P y la temperatura T.


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El estadode un sistema es la condicin del sistema descrita por el valor de sus

propiedades. Con frecuencia, el estado de un sistema se puede especificar mediante o

identificar por los valores de unas pocas de sus propiedades nicamente.

Los valores del resto de las propiedades se pueden determinar a partir de los valores

de esas pocas empleadas para especificar el estado.

1.11. SISTEMAS TERMODINMICOS

Un sistema se define como la cantidad de materia o una regin en el espacio elegida

para anlisis.La masa o regin fuera del sistema se conoce como alrededores. La

superficie real o imaginaria se separa al sistema de sus alrededores se llama frontera

(figura 1-19). La frontera de un sistema puede serfija o mvil.Note que la frontera es

la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores. En trminos

matemticos, la frontera tiene espesor cero y, por lo tanto, no puede contenerninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio.

Los sitemas se pueden considera cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para

estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado(conocidotambin como una masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna

otra puede cruzar su frontera. Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un

sistema cerrado, como se utiliza en la figura 1-20. Pero la energa, en forma de calor o

trabajo puede cruzar la frotnera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser

fijo. Si, como caso especial, incluso se impide que la energa cruce la frontea, entonces

se trata de un sistema aislado.


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Considrese el dispositivo de cilindro-mbolo mostrado en la figura 1-21. Suponga que

se desea saber qu pasa con el gas encerrado cuando se calienta. Puesto que el inters

se centra en el gas, ste es el sistema. Las superficies internaas del mbolo y el cilindro

forman la frontera, y como ninguna masa la cruza, se trata de un sistema cerrado. La

energa puede cruzar la frontera y parte de la frontera (la superficie interna del

mbolo, en este caso) se puedemover. Todo lo que se halla fuera del gas, incluso el

mbolo y el cilindro, son los alrededores.


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Un sistema abiertoo un volumen de control, como suele llamarse, es una regin

elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene

que ver con flujo msico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos

dispositivos se estudia mejor si se selcciona la regin dentro del dispositivo como el

volumen de control. Tanto la masa como al energa pueden cruzar la frontera de un

volumen de control.

Un gran nmero de problemas de ingeniera tiene que ver con flujo de masa dentro y

fuera de un sistema y, por tanto, se modelan como volmenes de control. Un

calentador de agua, un radiador de automvil, una turbina y un compresor se

relacionan con el flujo de masa y se deben analizar como volmenes de control

(sistemas abiertoss) en lugar de como masas de control (sistemas cerrados). En

general, cualquier regin arbitraria en el espacio sepuede selccionar como volumen de

control; no hay eglas concretas para esta selccin, pero una que sea apropiada hace

ms fcil el anlisis. Por ejemplo, si se necesitara analizar el flujo de aire por una

tobera, una buena eleccin para el volumen de control sera la regin dentro de latobera.

Las fronteras de un voluymende control se conocen como superficie de control, y

pueden ser reales o imaginarias. En el caso de una tobera, la superficie interna de sta

contituye la parte real de la frontera, mientras que las reas de entrada y salida

forman la parte imaginaria, puesto que all no hay superficies fsicas. (figura 1-21)


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Un volumen de control puede ser fijo en tamao y forma, como en el caso de un

tobera, o bien podra implicar una frontera mvil, como se ilustra en la figura 1-22b).

Sin embargo, la mayor parte de los volmenes de control tienen fronteras fijas y, por

lo tanto, no involucran fronteras mviles. Al igual que en un sistema cerrado, en un

volumen de control tambin puede haber interacciones de calor y trabajo, adems de

inteaccin de masa.

Considere el calentador de agua mostrado en el figura 1-23como ejemplo de un

sistema abierto y suponga que se quiere determinar cunto calor debe transferirse de

agua caliente con al finalidad de proveer un flujo estacionario de agua caliente. Puesto

que el agua caliente saldr del recipiente y ser reemplazado por agua fra, no es

conveniente elegir una amsa fija como sistema para el anlisis. En cambio, se centra la

atencin en el volumen que se forma por las superficies interiores del recipiente y se

considera a los flujos de agua caliente y fra como la masa que sale y entra al volumen

de control. En este caso, las paredes interiores del recipiente forman la superficie decontrol la cual es cruzada en dos lugares por la masa.

En un anlisis de ingeniera, el sistema bajo estudio se debe definir con cuidado. En la

mayor parte de los casos, el sistema analizado es bastante simple y obvio, y definirlo

podra parecer una tarea tediosa e inncesaria. Sin embargo, en otros casos el sistema

bajo anlisis podra ser bastante, de modo que su apropiada eleccin puede simplificar

en gran medida el anlisis.


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HOJA DE

TRABAJO


26/165



RETROALIMENTACIN


27/165



EXTENSIN


28/165



LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA

Y EL POSTULADO DE ESTADO

AGOSTO-DICIEMBRE

2015

CAPACIDADES A DESARROLLAR:

UNIDAD

II


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UNIDAD II:

LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA Y EL POSTULADO DE ESTADO

SEMANA N 03:

TERMODINMICA.


CALOR SENSIBLE.

CALOR LATENTE

ENTALPA

ENTROPA.


PRIMERA PRCTICA CALIFICADA

SEMANA N 04:

ENTALPA Y CAPACIDADES TCNICAS ESPECFICAS.

CONSERVACIN DE LA ENERGA PARA SISTEMAS

SIMPLES COMPRESIBLES CERRADOS.


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INTRODUCCIN

La termodinmica relaciona diferentes formas de energa, y describe el cambio en la energa

de diversos tipos de sistemas, en trminos de las interacciones en las fronteras del sistema.

Una de las leyes ms importantes conduce conduce a un principio general de conservacin de

la energa. Primera ley de la termodinmica.

TRABAJO Y PROCESO ADIABTICO

Trabajo mecnico, producto de una fuerza Fy un desplazamiento sde la fuerza, cuando se

mide a ambos en la misma direccin.

La definicin termodinmica:

El trabajo es una interaccin entre un sistema y sus alrededores, y lo desempea el sistema

si el nico efecto externo a las fronteras del sistema podra consistir de la elevacin de un

peso.

La rotacin de una flecha a travs de una frontera, como resultado de la aplicacin de un par,

ocasiona que el sistema desempee un trabajo de flecha (tambin conocido como trabajo de

eje o de rbol).La elevacin de temperatura en una sustancia no siempre implica que ha

ocurrido una interaccin de calor.

Para poder determinar si una cierta interaccin corresponde a trabajo,deber considerarse si

el efecto nico externo al sistema pudiera haber sido el levantamiento de un peso.

El valor de una interaccin de trabajo necesariamente deber ser positivo deber ser positivo

con respecto a un sistema y negativo con respecto al otro.

El trabajo desempeado sobre un sistema es positivo.El trabajo desempeado por el sistemaser negativo.

Importante proceso en termodinmica: Proceso adiabtico.

Cualquier proceso en el cual intervienen exclusivamente interacciones de trabajo


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Para cambio de estado diferencial:

Por unidad de masa:

EJEMPLO 1:


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TRABAJO DE EXPANSIN Y COMPRENSIN

Cuando se cambia el volumen de un sistema cerrado se hace trabajo. A ste tipo de trabajo

cuasiesttico se le llama trabajo de expansin o compresin, o simplemente trabajo de

frontera.


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a) Trabajo mecnico asociado con el movimiento de la frontera en un dispositivo cilindro

mbolo.

b) Representacin mediante reas de trabajo de expansin o compresin en un proceso

cuasiesttico.

TRABAJO PARA UN PROCESO CICLICO CUASIESTTICO

Para todos los procesos en los cuales el volmen final es mayor que el volumen inicial,el

sistema hace trabajo sobre sus alrededores.

El trabajo neto para el ciclo es la suma de las interacciones de trabajo para todos los procesos.

El trabajo de cada uno de los procesos en un ciclo se representa mediante el rea bajo la lnea

en el diagrama PV.

El trabajo neto para un proceso cclico se representa, con el rea encerrada dentro de la

trayectoria cclica.


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HOJA DE

TRABAJO


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RETROALIMENTACIN


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EXTENSIN


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UNIDAD III

ANLISIS DE ENERGA MEDIANTE VOLMENES DE CONTROL

SEMANA N 04:

PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA MASA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL ENESTADO ESTACIONARIO.

PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA ENERGA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL.

ECUACIONES DE ENERGA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL EN ESTADO ESTACIONARIO.

PRIMERA PRCTICA CALIFICADA

SEMANA N 05:

APLICACIONES A LA INGENIERA DE LOS SISTEMAS

ABIERTOS EN ESTADO ESTACIONARIO. TOBERAS Y DIFUSORES.

TURBINAS, COMPRESORES Y

VENTILADORES.

EQUIPOS DE ESTRANGULAMIENTO.

INTERCAMBIADORES DE CALOR.

FLUJO EN TUBERAS.


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PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA MASA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL EN ESTADO

ESTACIONARIO

Un sistema se dice que est en rgimen estacionario si las propiedades del sistema son

constantes son el tiempo en cualquier posicin dentro de y sobre las fronteras del sistema

De acuerdo con la definicin de estado estacionario, deben cumplirse las dos condiciones

siguientes en un volumen de control:

1. El gasto msico de un fluido que atraviesa una superficie de control se mantiene

constante.

2. La masa total de un volumen de control permanece constante con respecto al tiempo.

Por tanto, el gasto msico total que sale del volumen de control debe ser igual al gasto

msico total que entra.


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EJEMPLO 1:


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PRINCIPIO DE CONSERVACIN DE LA ENERGA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL


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ECUACIONES DE ENERGA PARA UN VOLUMEN DE CONTROL EN ESTADO ESTACIONARIO

1.- TOBERAS Y DIFUSORES

EJEMPLO:


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EJEMPLO:


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3.- CAMBIADORES DE CALOR:

EJEMPLO:


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5.- DISPOSITIVOS DE ESTRANGULAMIENTO:

La ecuacin de energa en rgimen estacionario:

Donde la ecuacin se reduce a:

EJEMPLO:


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6.- FLUJO EN TUBERAS

EJEMPLO


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HOJA DE

TRABAJO


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EXTENSIN


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3.4. TABLA DE PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS.


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EXTENSIN


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4.2. PROCESOS DE COMBUSTIN.


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HOJA DE

TRABAJO


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EXTENSIN


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SEMANA N 07:

CICLO DE AIRE ESTNDAR.

CICLO DE CARNOT DE AIRE ESTNDAR. EL CICLO OTTO DE AIRE ESTNDAR.

EL CICLO DIESEL DE AIRE ESTNDAR Y EL CICLO DUAL.

SEMANA N 08:

CICLO BRYTON DE AIRE ESTNDAR.

LA EFICIENCIA ADIABTICA DE DISPOSITIVOS DE

TRABAJO.

CICLO REGENERATIVO DE LA TURBINA DE GAS.

PROCESO POLITRPICO.

SEMANA N 09:

ANLISIS DE COMPRESORES DE FLUJO ESTABLE.

CICLOS DE TURBINAS DE GAS CON ENFRIAMIENTO

INTERMEDIO Y RECALENTAMIENTO.

TOBERAS Y DIFUSORES.

TERCERA PRCTICA CALIFICADA


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5.3.CICLO OTTO DE AIRE ESTNDAR.

Diagrama PV para un motor de ignicin por chispa de cuatro tiempos.

La sucesin de eventos incluye la carrera de alimentacin ab, la carrera de compresin bc,

la carrera de expansin o de potencia cd y finalmente la carrera de expulsin da.

alimentacin y expulsin ocurren a presin atmosfrica.

El punto de ignicin ocurre en la carrera de compresin antes del PMS,ya que la

propagacin de la llama a travs de la cmara de combustin demora un tiempo finito.Para un motor dado, el punto de ignicin puede cambiarse hasta determinar la condicin

de mxima potencia.

La vlvula de expulsin se abre antes de que el mbolo llegue a la posicin del PMI.Esto

permite que los gases de expulsin casi alcancen la presin atmosfrica antes de que

comience la carrera de expulsin.

El ciclo Otto terico se compone de los siguientes procesos internamente.

1. Compresin adiabtica 1-2

2. Adicin de calor a volumen constante 2-33. Expansin adiabtica 3-4

4. Expulsin de calor a volumen constante 4-1

Diagramas PV y Ts para un ciclo de Otto de aire estndar.

Eficiencia trmica de un ciclo de Otto de aire estndar:

r es la relacin de compresin del motor :

La ecuacin para la eficiencia muestra que los parmetros principales que gobiernan la

eficiencia trmica de un ciclo Otto son la relacin de compresin y la relacin de

capacidades trmicas especficas.


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EL CICLO DUAL


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CICLOS DE POTENCIA

DE VAPOR

AGOSTO-DICIEMBRE

2015

UNIDAD

VI


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Ciclo Ideal del ciclo de potencia de vapor de Rankine simple:

1.- Compresin isentrpica en la bomba.

2.- Adicin de calor a presin constante en una caldera.

3.- Expansin isentrpica en una turbina.

4.- Extraccin de calor a presin constante en un condensador.

Si los cambios de las energas cintica y potencial se pueden despreciar, la transferencia de

calor al fluido en la caldera se representa en el diagrama T-s mediante el rea delimitada por

los estados 2-2-3-b-a-2. El rea encerrada por los estados 1-4-b-a-1 es el calor extraido en el

condensador.

Eficiencia trmica del ciclo:

Trabajo isentrpico de la bomba:

Tambin:

El liquido en la bomba se considera incompresible: v = constante.

Calor suministrado a la unidad de masa:

Trabajo isentrpico en la turbina:

Calor cedido en el condensador:

Rendimiento trmico de un ciclo Rankine ideal:


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Sabiendo que:

Donde:

Ejemplo 1: ( Kenneth Wark Jr)


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Ejemplo 1: (Kenneth Wark Jr.)


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HOJA DE

TRABAJO


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RETROALIMENTACIN


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AGOSTO-DICIEMBRE

2015

UNIDAD

VII


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UNIDAD VII


EL CICLO DE CARNOT INVERSO

Motor de Carnot que trabaja en la regin hmeda

Para estudiar los dispositivos cclicos para extraccin de calor en forma contnua deuna fuente a baja temperatura, debemos recordar el ciclo de Carnot invertido.

La cantidad de calor QB se transfiere reversiblemente desde una fuente a temperaturabaja TB, hacia el motor trmico invertido.

Operando en un ciclo durante el cual se suministra trabajo neto W al motor y lacantidad de calor QA se transfiere de forma reversible a un sumidero a temperaturaalta TA.

Por la primera ley de la termodinmica:

QB+W= QA

De la segunda ley, para un proceso totalmente reversible:

TA / TB = QA / QB

El motor trmico de Carnot invertido es til como estndar de comparacin .

En el criterio de anlisis de las mquinas trmicas,el estndar para la eficiencia de laenerga en los procesos de refrigeracin es el COEFICIENTE DE OPERACIN (COP).

En un refrigerador el objetivo es extraer calor; entonces se tendr un coeficiente deoperacin para el refrigerador.

Se define COP refrig. como la relacin entre lo que se desea obtener QB y lo que setiene que invertir para lograrlo Wentrada


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EXTENSIN


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UNIDAD VIII:

INTERCAMBIADORES DE CALOR

SEMANA N 14:

TIPOS DE INTERCAMBIADORES.

INTERCAMBIADORES DE FLUJO PARALELO.

INTERCAMBIADORES DE CONTRAFLUJO.

SEMANA N 15:

INTERCAMBIADORES DE CORAZA Y TUBO DE

INTERCAMBAIDORES DE FLUJO CRUZADO.

CONDENSADORES Y EVAPORADORES.SEMANA N 16:

COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE LOS

MATERIALES

SEXTA PRCTICA CALIFICADA


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CALOR SENSIBLE

Cuando se entrega calor o se extrae calor de una sustancia y slo hay cambio de temperatura,

pero no hay cambio de estado o fase,entonces el cambio de entalpa se denomina calor

sensible:

Para el agua:

CALOR LATENTE:

Cuando el calor entregado por una sustancia, o recibido por ella genera un cambio de estado a

temperatura constante, entonces a ste cambio de entalpa se le conoce como calor latente.


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1.- TIPOS DE INTERCAMBIADORES:

Se clasifican segn el sentido del flujo de las dos corrientes, la fra y la caliente, segn el

nmero de pasadas que hace cada fluido a lo largo del equipo:

a)

Intercambiadores de flujo paralelo:Si las direcciones relativas de flujo de las corrientes de fluido fra y caliente tienen el

mismo sentido.


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b) Intercambiadores de contraflujo:

Si la direccin de los fluidos caliente y fro es en sentido contrario a lo largo del equipo.


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El calor transferido es:

Para tubera de pared delgada, e es:


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c) Intercambiadores de coraza y tubo e intercambiadores de flujo cruzado:

Si se tienen intercambiadores de calor de coraza y tubos de dos pasos o ms, para

geometras variadas.


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d) Condensadores y evaporadores:

Tanto en los condensadores como en los evaporadores, uno de los fluidos mantendr su

temperatura constante. Si hablamos de condensadores, entonces el fluido caliente

mantendr su temperatura constante, pasando de vapor saturado al estado de lquido

saturado.


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2.- COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE ALGUNOS MATERIALES:

CALOR SENSIBLE

Cuando se entrega calor o se extrae calor de una sustancia y slo hay cambio de temperatura,

pero no hay cambio de estado o fase,entonces el cambio de entalpa se denomina calorsensible:


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HOJA

DE TRABAJO


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RETROALIMENTACIN


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RETROALIMENTACIN


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MQUINAS HIDRULICAS Y TRMICAS. Juan carlos Goi

Univerrsidad de Lima. LIMA 2009

ANEXOS


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EQUIVALENCIAS


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Termindinámica aplicada (1)

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