Thermodynamics – Sanford Klein, Gregory Nellis – 1st Edition

La termodinámica es una ciencia madura. Se han escrito muchos libros de texto de ingeniería excelentes sobre el tema, lo que lleva a la pregunta: ¿Por qué otro libro de texto más sobre termodinámica clásica? Hay una respuesta sencilla a esta pregunta: este libro es diferente. El objetivo de este libro es proporcionar a los ingenieros los conceptos, herramientas y experiencia necesarios para resolver problemas energéticos prácticos del mundo real. Con esto en mente, el objetivo de este esfuerzo ha sido integrar una herramienta informática con conceptos termodinámicos para permitir a los estudiantes de ingeniería y a los ingenieros en ejercicio abordar problemas que de otro modo no podrían resolver. Generalmente, se reconoce que los estudiantes necesitan resolver problemas para integrar conceptos y habilidades.

El esfuerzo necesario para resolver un problema de termodinámica se puede dividir en dos partes. Primero, es necesario identificar las relaciones fundamentales que describen el problema. El conjunto de ecuaciones que conduce a una solución útil a un problema resulta de la aplicación de equilibrios y relaciones de tasas apropiados, simplificados con supuestos justificados. Identificar las ecuaciones necesarias es la parte conceptual del problema y ningún programa de computadora puede proporcionar esta capacidad en general. La aplicación adecuada de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica es el núcleo de este proceso.

La capacidad de identificar las ecuaciones apropiadas no es fácil para la mayoría de los estudiantes de termodinámica. Esta es un área en la que la experiencia en resolución de problemas es útil. Una característica distintiva de este libro de texto es que presenta ejemplos detallados y discusiones que explican cómo aplicar conceptos de termodinámica e identificar un conjunto de ecuaciones que brindarán soluciones a problemas no triviales. Una vez identificadas las ecuaciones apropiadas, se deben resolver. Según nuestra experiencia, gran parte del tiempo y esfuerzo necesarios para resolver problemas de termodinámica resulta de buscar información de propiedades en tablas y resolver las ecuaciones apropiadas. Aunque necesarias para obtener una solución, estas tareas contribuyen poco al proceso de aprendizaje.

Por ejemplo, una vez que el estudiante se familiariza con el uso de las tablas de propiedades, el uso posterior de las tablas no contribuye a la comprensión del tema por parte del estudiante, ni tampoco la tediosa álgebra que se requiere para resolver un gran conjunto de ecuaciones. Los problemas prácticos que se centran en cuestiones reales de ingeniería tienden a ser más interesantes para los estudiantes, pero también más complejos matemáticamente. El tiempo y el esfuerzo necesarios para resolver problemas sin herramientas informáticas pueden en realidad restar valor al aprendizaje de la materia al obligar al estudiante a centrarse en la complejidad matemática del problema en lugar de en los conceptos subyacentes. La motivación para escribir este libro es el resultado de nuestra experiencia en la enseñanza de termodinámica en ingeniería mecánica de una manera estrechamente integrada con el programa EES (Engineering Equation Solver).

EES elimina gran parte de la complejidad matemática involucrada en la resolución de problemas de termodinámica al proporcionar un gran banco de datos de propiedades de alta precisión y la capacidad de resolver grandes conjuntos de ecuaciones algebraicas y diferenciales simultáneas. EES también proporciona la capacidad de comprobar la coherencia de las unidades en las ecuaciones; hacer estudios paramétricos; producir parcelas de alta calidad; y aplicar análisis de integración numérica, optimización e incertidumbre. Utilizando EES, los estudiantes pueden obtener fácilmente soluciones a problemas prácticos interesantes que involucran conjuntos de ecuaciones implícitas y no lineales. Pueden mostrar rápidamente los resultados de estos cálculos en gráficos. Pueden realizar estudios de diseño variando las entradas o restricciones y aplicando métodos de optimización. EES es una poderosa herramienta que puede resultar de gran ventaja para resolver problemas de termodinámica.

Sin embargo, como todas las herramientas, se necesita cierta formación y experiencia para utilizarla de forma eficaz. La presentación de este libro enseña a los lectores mediante ejemplos cómo utilizar EES de forma más eficaz, con funciones más avanzadas introducidas de forma secuencial a lo largo del texto. Una revisión del índice muestra que los temas y el orden de presentación son similares a los que se proporcionan en los libros de texto actuales de termodinámica de ingeniería mecánica. Se proporciona material suficiente para cursos de termodinámica de pregrado y posgrado.

El libro se puede utilizar en un curso universitario de un solo semestre, seleccionando adecuadamente entre los temas disponibles. Por ejemplo, normalmente no cubrimos el Capítulo 7 y los Capítulos 14 a 16 en nuestro curso universitario de un solo semestre. Temas como ciclos de absorción (9.4), ciclos de enfriamiento criogénico (9.5–6), desecantes (12.4.4), relaciones energéticas para psicrometría (12.6) y combustibles (13.5) tampoco suelen incluirse en nuestros cursos de pregrado. La razón por la que este libro se puede utilizar para un primer curso (a pesar de su contenido ampliado) sin dejar de ser un libro de texto eficaz a nivel de posgrado es que todos los conceptos y métodos se presentan en detalle, comenzando desde el principio, sin omitir pasos.