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Introducción a la Termodinamica.pdf - C.I.E.
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Contenidos xii
Contenidos xii
PREFACIO Prefacio i Esta es <strong>la</strong> primera edición de “<strong>Introducción</strong> a <strong>la</strong> Termodinámica”, resultado de <strong>la</strong>s modificaciones y correcciones introducidas a <strong>la</strong> versión preliminar, o edición cero. Se ha dividido el tercer capítulo que trata del Primer Principio de <strong>la</strong> Termodinámica en dos: el capítulo 3 que concentra <strong>la</strong>s bases del Primer Principio y algunas de sus aplicaciones inmediatas, y el capítulo 4, que trata otras aplicaciones y consecuencias del Primer Principio. La razón de este cambio es que pienso que tal como estaba diagramado en <strong>la</strong> versión preliminar el capítulo 3 era demasiado <strong>la</strong>rgo, por lo que decidí dividirlo en dos. Asimismo, se han desarrol<strong>la</strong>do algo mas los contenidos del capítulo sobre Sistemas Heterogéneos, agregando mayor cantidad de información que espero contribuya a una mejor comprensión del equilibrio líquido-vapor. Se han revisado y corregido errores que se habían deslizado en <strong>la</strong> versión preliminar, por los que pido disculpas a los pacientes lectores. Aprovecho para agradecer <strong>la</strong> co<strong>la</strong>boración de los que han advertido esos errores y me los han comunicado. Se ha intentado mejorar <strong>la</strong> calidad gráfica de <strong>la</strong>s ilustraciones, tratando de hacer<strong>la</strong>s mas c<strong>la</strong>ras y reproducibles. También se han usado técnicas de compresión para reducir el tamaño de los archivos y facilitar su descarga desde Internet, resultando con un volumen mucho menor a pesar de haberse incrementado los contenidos con respecto a <strong>la</strong> edición cero. Este libro es el resultado de mas de veinte años de experiencia en <strong>la</strong> enseñanza de <strong>la</strong> Termodinámica a estudiantes de Ingeniería. De alguna manera refleja mi evolución como docente ya que su estructura deriva de mis opiniones personales y puntos de vista sobre <strong>la</strong> mejor manera de enseñar esta materia. En mis primeros años de docencia consideraba el contenido como <strong>la</strong> parte mas jugosa de un libro técnico. Un buen libro (pensaba en esos tiempos ya lejanos) debe tener <strong>la</strong> mayor cantidad de información posible, y cuanto mas poderosas sean <strong>la</strong>s herramientas teóricas usadas en un texto, tanto mejor. Con el transcurso del tiempo este punto de vista ha ido cambiando, quizás como consecuencia de <strong>la</strong> maduración que a veces acompaña a los años, o al menos eso espero. Lo que me ha hecho cambiar de modo de ver <strong>la</strong>s cosas es que <strong>la</strong> cantidad de información que debe absorber un profesional competente ha aumentado de manera sustancial. Una porción de esa información tiene una vida media corta, porque <strong>la</strong> tecnología se renueva muy rápidamente, como sabe cualquiera que ha tenido que luchar tenazmente para no quedarse atrás con sus herramientas computacionales. Hoy ya no se puede pretender que un ser humano normal adquiera absolutamente toda <strong>la</strong> información que puede llegar a necesitar en su profesión. De ahí <strong>la</strong> necesidad de <strong>la</strong> actualización permanente y de <strong>la</strong> auto enseñanza. Tampoco parece sensato pretender que un estudiante aprenda toda <strong>la</strong> Termodinámica, sino más bien <strong>la</strong> parte que le sea útil. Por ese motivo, he seleccionado los temas de este libro tratando de darle una estructura equilibrada y funcional, para que sea aplicable a <strong>la</strong> realidad práctica. Lamentablemente, para ello he tenido que sacrificar amplias secciones de <strong>la</strong> Termodinámica. Así el conocedor de estos temas notará que no se incluyen temas de Termodinámica estadística, molecu<strong>la</strong>r ni cuántica. Esta no es una omisión antojadiza, sino que responde a <strong>la</strong> necesidad de mantener el enfoque práctico o aplicado a <strong>la</strong>s especialidades de <strong>la</strong> Ingeniería. Mi objetivo no ha sido meramente ayudar al estudiante a aprender Termodinámica sino ayudar al estudiante a aprender a usar <strong>la</strong> Termodinámica, al menos en sus aplicaciones mas frecuentes y fundamentales. El libro tiene por fin servir de introducción y orientación para el estudio de <strong>la</strong> Termodinámica a los estudiantes de Ingeniería. No pretende ni puede sustituir a <strong>la</strong> copiosa bibliografía que existe en <strong>la</strong> materia. Si se extendiera hasta cubrir exhaustivamente todos los temas que incluye <strong>la</strong> Termodinámica resultaría excesivamente <strong>la</strong>rgo. Es una verdad de Perogrullo que el libro perfecto no existe. Mi objetivo es pues ofrecer una visión inicial equilibrada de los aspectos más importantes de interés para <strong>la</strong> Ingeniería de esta ciencia apasionante. Este libro, quede bien entendido, no basta por sí solo para adquirir los conocimientos y dominio necesarios en <strong>la</strong> materia, sino que sirve de base para un estudio posterior, mas extenso, profundo y especializado. No puede sustituir al estudio y a <strong>la</strong> búsqueda bibliográfica, que recomiendo enérgicamente como única vía para obtener un conocimiento sólido de cualquier materia. En <strong>la</strong> selección del material y e<strong>la</strong>boración del libro he tratado de mantener el mayor nivel de sencillez compatible con <strong>la</strong> profundidad que cada tema se merece. Siempre me pareció que algunos autores complicaban sus enfoques y desarrollos sin necesidad, y he tratado de evitar caer en ese error. Se reconoce que <strong>la</strong> Termodinámica no es una ciencia “fácil”. Precisamente por eso no se deben agregar dificultades a algo que ya de por sí es complicado.
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Ejemplo 2.4 Cálculo del factor de
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Z 0 y Z 1 son ambos función de Pr
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a ⎞ ⎜ P ⎟ ′ ⎝ V ⎠ ( V
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PrV sr 1× Vsr Z c + b − a 2 Z c
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Propiedades P-V-T 68 Pero debido a
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Propiedades P-V-T 72 Volumen de vap
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Propiedades P-V-T 76 En general est
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Propiedades P-V-T 80 j2) Ecuación
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Propiedades P-V-T 82 Fallas La ecua
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1.0467 0.5783 A = 0.31506 − − T
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⎛ ω ⎞ Z = Z() 0 + ⎜ ⎟( Z(
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Propiedades P-V-T 88 Fallas La ecua
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La forma de la ecuación de Elliott
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Propiedades P-V-T 92 2.2.3 Propieda
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Propiedades P-V-T 94 Consultar en e
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Ejemplo 2.12 Cálculo de la densida
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Nótese que: ni Pi V PV xi = ni = y
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C ∑= i 1 C C C C m ′ i hi H = m
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c) N = n x N2 CO2 n = N N2 + = d) D
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Propiedades P-V-T 104 Las ecuacione
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P (ata) 13.609 27.218 40.827 54.436
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0. 08205 × 305. 4 a = 0. 42748 0.
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B1 12 0. 172 = 0. 139 − = 0.08118
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C C Tc m = ∑∑φi φ j Tcij Tcij
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CAPITULO 3 Primer Principio de la T
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Primer Principio de la Termodinámi
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Dividiendo por m& es: −∑ Pero m
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∑ ∑ 2 i m × Vi m = = ∑ 3l 3l
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Pero: Donde como antes n' es el nú
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∑ ∑ − = 2 ⎡ dV g ⎤ ⎢dh
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M 2 ( u + Ep + Ec) − M ( u + Ep +
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La ecuación (3-33’’’) se sim
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APENDICE Primer Principio de la Ter
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DIAGRAMA PRESION - ENTALPIA DEL OXI
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CAPITULO 4 Consecuencias y Aplicaci
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4.1.2 Transformaciones isobáricas
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10 × 0. 0858 = = 1. 033 2 ( Kg / c
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W P2V 2 − P1V 1 = 1− γ La segu
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Pero de la ecuación de los gases i
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Consecuencias y Aplicaciones del Pr
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Consecuencias y Aplicaciones del Pr
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Por estar sobre la adiabática 0→
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Q RT 78. 3 × 520 pie 102000 Lb m&
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Consecuencias y Aplicaciones del Pr
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BIBLIOGRAFIA • “Termodinámica
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El esquema es similar al anterior.
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Trazamos una gran cantidad de adiab
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T T Q T Q T − T Q − Q Segundo P
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eleve, con lo que adquiere una ener
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Solución a) Hemos demostrado que p
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∆Q1 ∆Q2 ⇒ < T T 1 2 ⇒ ∆Q1
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( masa del sistema) × ( intensidad
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BIBLIOGRAFIA • “Termodinámica
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= P0∫ 2 o 0 ( V2 − V1 ) Wo W dV
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⎛ ∂G ⎞ S −⎜ ⎟ ⎝ ∂T
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Considerando S en función de V y T
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Energía libre 258 A seguir vemos l
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h′ = R′ T P ⎛ ∂Z ⎞ ⎜
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B) A partir de ecuaciones de estado
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⎡0. 675 0. 722 1 ⎛ 0. 422 ⎞
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Energía libre 266 También se pued
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v * * * * [ s ′ − ′ ] = ′ (
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* P,T P,T * P,T ( s ′ − s′ )
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0 ( ∆h′ ) ( ∆h′ ) R′ T c
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∆h′ R′ T c = 2. 078 = 2. 078
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Energía libre 276 Introducción a
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⎛ ∂v′ ⎞ ⎛ ∂P ⎞ Cp −
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⎛ ∂T ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ ∂P ⎠ S
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Energía libre 282 También present
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∆Cv′ R′ o 3a 1 = 4b R′ T 3
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BIBLIOGRAFIA Energía libre 290 •
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1 1 2 2 C C Sistemas Heterogéneos
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Retomando la ecuación (7-23), reco
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C Sistemas Heterogéneos 302 cm v
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( ln f ) ⎛ ∂ ⎞ ⎛ ∂lnP ⎞
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C R T x d( ln f ) = 0 ⇒ i d( ln f
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C ∑i = 1 ⎛ ⎞ ⎜ ∂ ln γi n
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7.11.2 Cambio de fase líquido-vapo
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Por último recordemos que la ecuac
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f i ln f S puro L i puro F ∆H ti
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Ciclos Frigoríficos 456 bromuro de
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Ciclos Frigoríficos 458 La salmuer
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Ciclos Frigoríficos 460 El valor t
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Ciclos Frigoríficos 462 El punto a
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APENDICE DIAGRAMA H-P DEL FREON-12
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DIAGRAMA H-P DEL R-717 (AMONIACO) C
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DIAGRAMA H-P DEL CARE 50 DIAGRAMA H
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DIAGRAMA H-x DE LA MEZCLA R-23/R-13
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CAPITULO 11 CICLOS DE GAS Ciclos de
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Ciclos de Gas 474 La potencia y vel
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Ciclos de Gas 476 trópica) hasta l
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⎛ ⎞ En el ciclo Diesel además
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Ciclos de Gas 480 De tal modo los c
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η T T 2 1 ⎛ P ⎞ 2 = ⎜ ⎟
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Ciclos de Gas 484 regenerador viene
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e) T7 − T6 843 − 520 T7 ′ = T
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Ciclos de Gas 488 En cuanto al calo
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Ciclos de Gas 490 El aire entra en
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Ciclos de Gas 492 El generador de v
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Ciclos de Gas 494 11.9.2 Cogeneraci
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Ciclos de Gas 496 El análisis term
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Ciclos de Gas 498 Una variante de u
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Ciclos de Gas 500 11.10.2 Ciclo de
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• “Thermodynamics” - Lee y Se
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n = P v v H m = Pv + Pa = P ⇒ Pa
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Aire Húmedo 506 En general, para l
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Aire Húmedo 508 En la misma tabla
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Aire Húmedo 510 12.6 Diagrama enta
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Aire Húmedo 512 Componentes princi
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Aire Húmedo 514 El criterio a segu
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Aire Húmedo 516 frente a una salid
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Aire Húmedo 518 Se deben hacer alg
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Aire Húmedo 520 12.7.3 Bomba de ca
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Aire Húmedo 522 12.8 Torres de enf
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Aire Húmedo 524 12.8.2 Torres de t
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Aire Húmedo 526 • Para minimizar
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Aire Húmedo 528 El estanque de enf
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k g h c × H × PM v = C En consecu
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Aire Húmedo 532 L h2 − h1 = G T1
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Aire Húmedo 534 12.8.9 Operación
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Aire Húmedo 536 lula inferior. Si
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dP v v′ l dP v′ v Aire Húmedo
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Cp Cp 1 C m = m∑ i= 1 m − Cv m
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• “Termodinámica” - Holman.
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Flujo de fluidos 544 Si se estudia
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Flujo de fluidos 546 Hay tres magni
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⎛ a − b ⎞ 0 . 9 + 0. 6⎜ ⎟
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Flujo de fluidos 550 La gráfica de
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Flujo de fluidos 552 Sin embargo pr
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Flujo de fluidos 554 Ejemplo 13.3 C
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Flujo de fluidos 556 Por lo tanto i
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2 m seg [ v dP] = [ v][ dP] = = = 2
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Flujo de fluidos 560 Esta ecuación
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Flujo de fluidos 562 En el apartado
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2 2 2 V P ZRT ⎡ ⎛ P ⎞ ⎤ f V
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Flujo de fluidos 566 13.5.3 Flujo a
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2 γ −1 G v + γ 2 g 2 = P v 2 γ
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T P Flujo de fluidos 570 2 1 ∴V 2
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N P2 Y − Y P1 γ −1 2 ( Y −1)
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Flujo de fluidos 574 2 v dP = −
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∴ γ − 1 ⎛ Pg ⎞ = 1− ⎜
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Flujo de fluidos 578 Despreciando l
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BIBLIOGRAFIA • “Flujo de fluido
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Intercambio de Calor por Conducció
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Intercambio de Calor por Conducció
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t n h′′ t ∆x t ′′ + k t =
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t t 1 2 t = 0 t = 1 + t 2 1 + t 2 Y
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CAPITULO 15 Intercambio de Calor po
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Número de Péclet: Número de Stan
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Intercambio de Calor por Convecció
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En medidas inglesas: • Tubo horiz
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ke q& = ( t1 − t2 ) δ Esta ecuac
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Intercambio de Calor por Convecció
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Intercambio de Calor por Convecció
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N Num − 1 1 6 Intercambio de Calo
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Además: 2 ρ π D V m& = 4 ⇒ ⇒
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Intercambio de Calor por Convecció
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BIBLIOGRAFIA • “Elementos de Te
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vv vv v vdPv = vl dPl ⇒ dPl = dPv
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Intercambio de calor con cambio de
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Intercambio de calor con cambio de
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q& ⎛ q& ⎞ ⎛ q& ⎞ = ⎜ ⎟
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N Pr Cl ∆t ≥ 1 y < 1 h fg Inter
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⎛ g ⎞ = ∆t π r⎜ ⎟ ⎝ ν
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BIBLIOGRAFIA • “Elementos de Te
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2000 BTU hora Intercambio de Calor
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HORNOS RECTANGULARES Longitud - anc
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En forma muy general, podemos clasi
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7) De la curva inferior (2) de la F
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