Advanced thermodynamics engineering

Header......Page 1
ADVANCED THERMODYNAMICS ENGINEERING......Page 4
PREFACE......Page 7
ABOUT THE AUTHORS......Page 9
NOMENCLATURE *......Page 10
Greek symbols......Page 11
Subscripts......Page 12
Acronyms......Page 13
Laws of Thermodynamics in Lay Terminology......Page 15
CONTENTS......Page 16
A.IMPORTANCE,SIGNIFICANCE AND LIMITATIONS......Page 28
a.System and Boundary......Page 29
b.Simple System......Page 30
c.Constraints and Restraints......Page 31
e.Phase......Page 32
g.Pure Substance......Page 33
i.Mixture......Page 34
j.Property......Page 35
k.State......Page 36
l.Equation of State......Page 37
n.Partial Pressure......Page 38
o.Process......Page 39
p.Vapor –Liquid Phase Equilibrium......Page 40
1.Explicit and Implicit Functions and Total Differentiation......Page 41
2.Exact (Perfect)and Inexact (Imperfect)Differentials......Page 43
i.Two Variables (x and y)......Page 45
3.Conversion from Inexact to Exact Form......Page 47
a.Work and Heat......Page 48
b.Integral Over a Closed Path (Thermodynamic Cycle)......Page 49
5.Homogeneous Functions......Page 50
ii.Intensive Property......Page 52
iv.Conversion of Extensive Into Intensive Properties......Page 53
7.LaGrange Multipliers......Page 55
8.Composite Function......Page 56
a.Stokes Theorem......Page 57
1.Matter......Page 58
2.Intermolecular Forces and Potential Energy......Page 59
b.Collision Number and Mean Free Path......Page 62
ii.Diatomic Gas......Page 65
4.Pressure......Page 66
a.Relation between Pressure and Temperature......Page 67
5.Gas,Liquid,and Solid......Page 69
6.Work......Page 71
7.Heat......Page 72
b.Single Component into Multicomponent......Page 73
a.Single Component Fluid......Page 74
b.Multiple Components......Page 75
10.Entropy......Page 76
E.SUMMARY......Page 81
ii.Work Done to Move an Electrical Charge......Page 82
c.Gradient of a Scalar......Page 83
d.Curl of a Vector......Page 84
b.Energy Conservation......Page 86
iii.Potential Energy......Page 87
v.Integrated Form......Page 88
vii.Coupled Systems......Page 89
c.Systems with Internal Motion......Page 90
ix.Cyclical Work......Page 91
xi.Rate Form......Page 92
e.Quasiequilibrium Work......Page 93
f.Nonquasiequilibrium Work......Page 95
g.First Law in Enthalpy Form......Page 99
xii.Internal Energy and Enthalpy......Page 100
xiii.Specific Heats at Constant Pressure and Volume......Page 102
xv.Polytropic Process......Page 104
a.Conservation of Mass......Page 106
xvi.Nonsteady State......Page 107
b.Conservation of Energy......Page 108
xx.Flow Work......Page 109
xxi.Nonsteady State......Page 110
xxv.Unit Mass Basis......Page 111
xxix.Steady State Steady Flow (SSSF)......Page 112
xxxi.Energy Conservation......Page 115
a.Heating of a Residence in Winter......Page 116
b.Thermodynamics of the Human Body......Page 117
c.Charging of Gas into a Cylinder......Page 119
d.Discharging Gas from Cylinders......Page 122
e.Systems Involving Boundary Work......Page 123
f.Charging of a Composite System......Page 125
a.Integral Form......Page 127
a.Integral Form......Page 128
c.Deformable Boundary......Page 129
1.Conservation Relations for a Deformable Control Volume......Page 130
1.Thermal and Mechanical Energy Reservoirs......Page 132
b.Heat Pump and Refrigeration Cycle......Page 133
1.Informal Statements......Page 134
a.Kelvin (1824-1907)– Planck ((1858-1947)Statement......Page 135
i.Perpetual Motion Machines......Page 136
1.Reversible and Irreversible Processes......Page 137
2.Cyclical Integral for a Reversible Heat Engine......Page 138
3.Clausius Theorem......Page 140
5.External and Internal Reversibility......Page 144
b.Characteristics of Entropy......Page 145
7.Relation between ds,dq and T During an Irreversible Process......Page 149
ii.Proof......Page 151
a.Uniform Temperature within a System......Page 152
b.Nonuniform Properties within a System......Page 155
2.Integrated Form......Page 157
4.Cyclical Form......Page 158
5.Irreversibility and Entropy of an Isolated System......Page 159
6.Degradation and Quality of Energy......Page 160
a.Adiabatic Reversible Processes......Page 161
E.ENTROPY EVALUATION......Page 162
a.Constant Specific Heats......Page 165
b.Variable Specific Heats......Page 166
2.Incompressible Liquids......Page 168
4.Entropy During Phase Change......Page 169
a.Gibbs –Dalton ´s law......Page 172
b.Reversible Path Method......Page 173
F.LOCAL AND GLOBAL EQUILIBRIUM......Page 174
G.SINGLE –COMPONENT INCOMPRESSIBLE FLUIDS......Page 175
H.THIRD LAW......Page 180
1.General Expression......Page 182
2.Evaluation of Entropy for a Control Volume......Page 187
3.Internally Reversible Work for an Open System......Page 191
4.Irreversible Processes and Efficiencies......Page 194
b.Differential Form......Page 195
a.Steady Flow......Page 196
b.Solids......Page 197
J.MAXIMUM ENTROPY AND MINIMUM ENERGY......Page 198
a.Entropy Maximum (For Specified U,V,m)......Page 199
b.Internal Energy Minimum (for specified S,V,m)......Page 206
c.Enthalpy Minimum (For Specified S,P,m )......Page 211
d.Helmholtz Free Energy Minimum (For Specified T,V,m)......Page 214
e.Gibbs Free Energy Minimum (For Specified T,P,m)......Page 215
2.Generalized Derivation for a Single Phase......Page 218
iv.No Thermal Constraint......Page 220
vii.Other Cases......Page 221
1.Proof for Additive Nature of Entropy......Page 222
2.Relative Pressures and Volumes......Page 223
a.U,V,m System......Page 224
viii.One Component......Page 225
ix.Multiple Components......Page 226
A.INTRODUCTION......Page 227
B.OPTIMUM WORK AND IRREVERSIBILITY IN A CLOSED SYSTEM......Page 228
a.Irreversibility or Gouy –Stodola Theorem......Page 229
1.Absolute and Relative Availability Under Interactions with Ambient......Page 230
2.Irreversibility or Lost Work......Page 233
a.Comments......Page 234
1.Optimum Work......Page 239
3.Availability Balance Equation in Terms of Actual Work......Page 241
a.Irreversibility due to Heat Transfer......Page 242
4.Applications of the Availability Balance Equation......Page 243
a.Multiple Reservoirs......Page 249
c.Mixtures......Page 250
7.Helmholtz Function......Page 252
b.Availability or Exergetic (Work Potential)Efficiency......Page 253
a.Coefficient of Performance......Page 257
b.Closed Systems......Page 260
4.Graphical Illustration of Lost,Isentropic,and Optimum Work......Page 263
F.CHEMICAL AVAILABILITY......Page 265
1.Closed System......Page 266
a.Ideal Gas Mixtures......Page 269
b.Vapor or Wet Mixture as the Medium in a Turbine......Page 272
c.Vapor –Gas Mixtures......Page 273
d.Psychometry and Cooling Towers......Page 274
1.Integral Form......Page 277
3.Some Applications......Page 278
H.SUMMARY......Page 282
B.CLASSICAL RATIONALE FOR POSTULATORY APPROACH......Page 283
1.Simple Legendre Transform......Page 285
a.Relevance to Thermodynamics......Page 287
2.Generalized Legendre Transform......Page 288
3.Application of Legendre Transform......Page 290
2.Elastic Work......Page 291
3.Surface Tension Effects......Page 292
5.Work Involving Gravitational Field......Page 293
1.Postulate I......Page 294
F.ENTROPY FUNDAMENTAL EQUATION......Page 295
H.INTENSIVE AND EXTENSIVE PROPERTIES......Page 296
I.SUMMARY......Page 298
B.EQUATIONS OF STATE......Page 299
1.Virial Equation of State......Page 300
a.Exact Virial Equation......Page 301
a.Clausius –I Equation of State......Page 302
b.VW Equation......Page 304
i.Comments......Page 306
3.Redlich –Kwong Equation of State......Page 308
4.Other Two –Parameter Equations of State......Page 309
5.Compressibility Charts (Principle of Corresponding States)......Page 314
b.Boyle Curve......Page 318
c.The Z =1 Island......Page 319
7.Deviation Function......Page 320
b.Pitzer Factor......Page 322
ii.Empirical Relations......Page 323
c.Peng –Robinson (PR)Equation......Page 324
10.Generalized Equation of State......Page 325
c.Modified BWR Equation......Page 326
a.Generalized State Equation......Page 327
d.Relation for Densities of Saturated Liquids and Vapors.......Page 329
1.Cubic Equation......Page 330
b.Case II:• <0......Page 331
3.Critical Temperature and Attraction Force Constant......Page 332
C.JAMES CLARK MAXWELL (1831 –1879)RELATIONS......Page 334
2.Second Maxwell Relation......Page 335
a.Remarks......Page 336
a.Remarks......Page 337
a.Remarks......Page 342
5.Summary of Relations......Page 343
1.Entropy ds Relation......Page 346
a.Remarks......Page 347
a.Remarks......Page 352
a.Remarks......Page 356
a.Remarks......Page 357
1.Helmholtz Function......Page 358
2.Entropy......Page 361
3.Pressure......Page 363
a.Remarks......Page 364
a.Remarks......Page 367
6.Gibbs Free Energy or Chemical Potential......Page 372
1.Generalized Z Relation......Page 374
H.FUGACITY......Page 375
a.RK Equation......Page 376
2.Physical Meaning......Page 377
b.Subcooled Liquid......Page 378
c.Supercooled Vapor......Page 379
I.EXPERIMENTS TO MEASURE (uO – u))......Page 382
a.Helmholtz Free Energy A at specified T,V and m......Page 383
b.G at Specified T,P and m......Page 385
a.Graphical Solution......Page 386
b.Approximate Solution......Page 389
3.Heat of Vaporization......Page 390
4.Vapor Pressure and the Clapeyron Equation......Page 391
a.Remarks......Page 393
b.Enthalpy of Vaporization......Page 396
6.Saturation Relations with Surface Tension Effects......Page 397
a.Remarks......Page 398
1.Joule Thomson Coefficient......Page 400
b.Remarks......Page 401
c.Real Gas......Page 404
3.Enthalpy Correction Charts......Page 405
c.Empirical Relations......Page 406
5.Throttling of Saturated or Subcooled Liquids......Page 407
6.Throttling in Closed Systems......Page 408
a.Physical Interpretation......Page 409
1.Procedure for Determining Thermodynamic Properties......Page 410
2.Entropy......Page 412
M.SUMMARY......Page 413
d.Molecular Weight of a Mixture......Page 414
2.Generalized Relations......Page 415
3.Euler and Gibbs –Duhem Equations......Page 416
a.Characteristics of Partial Molal Properties......Page 417
b.Physical Interpretation......Page 418
i.Remarks......Page 420
b.Multicomponent Mixture......Page 421
b.Differentials of Partial Molal Properties......Page 426
b.Pressure......Page 428
e.Entropy......Page 429
f.Gibbs Free Energy......Page 430
d.Entropy......Page 431
a.Fugacity and Activity......Page 432
ii.Henry ’s Law......Page 433
c.Standard States......Page 434
e.Activity Coefficient......Page 435
f.Fugacity Coefficient Relation in Terms of State Equation for P......Page 436
ii.Binary Components......Page 437
i.Mixture of Ideal Gases......Page 438
j.Relation between Gibbs Function and Enthalpy......Page 440
k.Excess Property......Page 441
l.Osmotic Pressure......Page 442
i.Ideal Solution......Page 444
a.General Rule......Page 447
b.Kay ’s Rule......Page 448
e.Martin Hou Equation of State......Page 450
f.Virial Equation of State for Mixtures......Page 451
2.Dalton ’s Law of Additive Pressures (LAP)......Page 452
a.Kay ’s rule......Page 453
b.RK Equation of State......Page 457
C.SUMMARY......Page 462
a.Two Phase System......Page 463
b.Multiphase Systems......Page 464
c.Gibbs Phase Rule......Page 465
a.Vapor as Real Gas Mixture......Page 466
i.Remarks......Page 467
a.Liquid –Vapor Mixtures......Page 471
b.Relative Volatility......Page 476
e.Azeotropic Behavior......Page 477
a.Immiscible Liquids and Miscible Gas Phase......Page 483
a.Liquid and Gas Mixtures......Page 485
b.Liquid and Solid Mixtures......Page 486
D.DISSOLVED GASES IN LIQUIDS......Page 487
2.Mixture of Gases......Page 488
3.Approximate Solution –Henry ’s Law......Page 489
1.Evaluation of the Activity Coefficient......Page 490
F.SUMMARY......Page 492
2.General Phase Rule for Multicomponent Fluids......Page 493
3.Raoult ’s Law for the Vapor Phase of a Real Gas......Page 494
A.INTRODUCTION......Page 496
a.Single Component......Page 497
i.Geometrical Criterion......Page 500
ii.Differential Criterion......Page 501
b.Perturbation of Energy......Page 503
c.Perturbation with Energy and Volume......Page 504
d.Multicomponent Mixture......Page 507
i.Remark......Page 508
e.System With Specified Values of S,V,and m......Page 509
f.Perturbation in Entropy at Specified Volume......Page 510
i.Binary and Multicomponent Mixtures......Page 511
i.System With Specified Values of T,V,and m......Page 512
ii.Binary and Multicomponent Mixtures......Page 513
k.Multicomponent Systems......Page 514
C.APPLICATION TO BOILING AND CONDENSATION......Page 515
a.Physical Explanation......Page 517
2.Constant Temperature and Volume......Page 519
D.ENTROPY GENERATION DURING IRREVERSIBLE TRANSFORMATION......Page 521
1.Single Component......Page 523
2.Multicomponent Mixtures......Page 527
F.DETERMINATION OF VAPOR BUBBLE AND DROP SIZES......Page 529
G.UNIVERSE AND STABILITY......Page 530
Thermal Stability:......Page 532
H.SUMMARY......Page 533
1.Stoichiometric or Theoretical Reaction......Page 534
4.Equivalence Ratio,Stoichiometric Ratio......Page 535
5.Dry Gas Analysis......Page 537
2.Thermal or Sensible Enthalpy......Page 540
3.Total Enthalpy......Page 541
5.Heating Value......Page 542
6.Entropy,Gibbs Function,and Gibbs Function of Formation......Page 543
1.First Law......Page 546
a.Steady State Steady Flow Processes in Open Systems......Page 549
b.Closed Systems......Page 550
2.Mixture......Page 552
1.Entropy Generated During an Adiabatic Chemical Reaction......Page 553
2.Entropy Generated During an Isothermal Chemical Reaction......Page 557
G.MASS CONSERVATION AND MOLE BALANCE EQUATIONS......Page 559
1.Steady State System......Page 561
H.SUMMARY......Page 562
2.Direction of Reaction......Page 563
ii.Specified Values of S,V,and m......Page 564
4.Evaluation of Properties During an Irreversible Chemical Reaction......Page 565
b.Reacting Closed System......Page 566
5.Criteria in Terms of Chemical Force Potential......Page 567
6.Generalized Relation for the Chemical Potential......Page 571
C.CHEMICAL EQUILIBRIUM RELATIONS......Page 575
1.Nonideal Mixtures and Solutions......Page 576
b.Standard State of a Nonideal Gas at 1 Bar......Page 577
2.Reactions Involving Ideal Mixtures of Liquids and Solids......Page 579
a.Partial Pressure......Page 580
b.Mole Fraction......Page 581
5.Gas,Liquid and Solid Mixtures......Page 586
a.Effect of Temperature on K o (T)......Page 591
b.Effect of Pressure......Page 594
7.Equilibrium for Multiple Reactions......Page 596
b.Closed Systems......Page 597
a.General Criteria for Equilibrium......Page 598
b.Multiple Components......Page 600
E.APPENDIX......Page 603
B.ENTROPY GENERATION THROUGH CHEMICAL REACTIONS......Page 605
1.Availability Balance Equation......Page 606
2.Adiabatic Combustion......Page 612
4.Isothermal Combustion......Page 614
b.H2-O2 Fuel Cell......Page 617
D.FUEL AVAILABILITY......Page 620
E.SUMMARY......Page 623
Problem A11......Page 624
Problem A18......Page 625
Problem B1......Page 626
Problem B17......Page 627
Problem B22......Page 628
Problem B25......Page 629
Problem C1......Page 630
Problem C17......Page 631
Problem C31......Page 632
Problem C38......Page 633
Problem C42......Page 634
Problem C48......Page 635
Problem C50......Page 636
Problem C55......Page 637
Problem C60......Page 638
Problem C63......Page 639
Problem C68......Page 640
Problem C72......Page 641
Problem C76......Page 642
Problem C81......Page 643
Problem D6......Page 644
Problem D15......Page 645
Problem D28......Page 646
Problem D34......Page 647
Problem D36......Page 648
Problem D43......Page 649
Problem D48......Page 650
Problem D54......Page 651
Problem E3......Page 652
Problem F15......Page 653
Problem F28......Page 654
Problem F34......Page 655
Problem F41......Page 656
Problem F51......Page 657
Problem F59......Page 658
Problem G12......Page 659
Problem G19......Page 660
Problem G25......Page 661
Problem G34......Page 662
Problem G45......Page 663
Problem G55......Page 664
Problem G64......Page 665
Problem G74......Page 666
Problem H1......Page 667
Problem H6......Page 668
Problem H16......Page 669
Problem I3......Page 670
Problem I11......Page 671
Problem J8......Page 672
Problem J20......Page 673
Problem K8......Page 674
Problem K16......Page 675
Problem K23......Page 676
Problem L8......Page 677
Problem L13......Page 678
Problem L20......Page 679
Problem L29......Page 680
Problem M1......Page 681
Problem M11......Page 682
Problem M18......Page 683
TABLE Contents......Page 684
APPENDIX B: CHARTS......Page 777
A.CHAPTER 1 RELATIONS......Page 785
B.CHAPTER 2 RELATIONS......Page 786
C.CHAPTER 3 RELATIONS......Page 787
D.CHAPTER 4 RELATIONS......Page 788
E.CHAPTER 5 RELATIONS......Page 789
F. CHAPTER 6 RELATIONS......Page 790
G.CHAPTER 7 RELATIONS......Page 793
H.CHAPTER 8 RELATIONS......Page 796
K.CHAPTER 11 RELATIONS......Page 798
L.CHAPTER 12 RELATIONS......Page 800
M.CHAPTER 13 RELATIONS......Page 801