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. Geankodis PROCESOS DE TRANSPORTE Y OPERACIONES UNITARIAS Christie J. Geankoplis University of Minnesota TERCERA EDICIÓN MÉXICO, 1998 COMPAÑÍA EDITORIAL CONTINENTAL, S.A. DE C.V. MÉXICO Contenido ... XIII Prefacio PARTE 1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE PROCESOS DE TRANSPORTE DE MOMENTO LINEAL, DE CALOR Y DE MASA 1 Capitulo 1 Introducción a los principios de ingeniería y sus unidades 3 Clasificación de las operaciones unitarias y los procesos de transporte El sistema (SI) de unidades fundamentales usado en este texto y otros sistemas de unidades Métodos para expresar temperaturas y composiciones Leyes de los gases y presión de vapor Conservación de la masa y balances de materia Unidades de energía y calor Conservación de energía y balances de calor Métodos matemáticos, gráficos y numéricos 3 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Capitulo 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 Principios de transferencia de momento lineal y balances globales Introducción Estática de fluidos Ecuación general de transporte molecular para transferencia de momento lineal, calor y masa Viscosidad de los fluidos Tipos de flujo de fluidos y número de Reynolds Balance total de masa y ecuación de continuidad Balance global de energía Balance general de momento lineal Balance de momento lineal en el recinto y perfil de velocidades en flujo laminar Ecuaciones de diseño para flujo laminar y turbulento en tuberías Flujo compresible de gases 5 7 10 13 17 23 29 38 38 39 47 52 56 59 66 80 90 96 115 Capítulo 3 Principios de la transferencia de momento lineal y aplicaciones 130 3.1 Flujo alrededor de objetos inmersos y lechos empacados y fluidizados Medición del flujo de fluidos Bombas y equipo para manejar gases Agitación y mezclado de fluidos y necesidades de potencia Fluidos no newtonianos Ecuaciones diferenciales de continuidad Ecuación diferencial de transferencia de momento lineal o de movimiento Uso de las ecuaciones diferenciales de movimiento y continuidad 3.9 Otros métodos para la resolución de ecuaciones diferenciales de movimiento 3.10 Flujo de capa límite y turbulencia 3.11 Análisis dimensional de la transferencia de momento lineal 130 145 152 161 174 186 193 199 209 215 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 Capítulo 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 Viii 241 247 251 263 265 279 285 292 301 310 316 333 336 345 348 368 Principios de transferencia de calor en estado no estacionario Deducción de la ecuación básica Caso simplificado de sistemas con resistencia interna despreciable Conducción del calor en estado no estacionario en diversas geometrías Métodos numéricos de diferencia finita para conducción en estado no estacionario Enfriamiento y congelación de alimentos y materiales biológicos Ecuación diferencial de cambio de energía Flujo de capa límite y turbulencia en la transferencia de calor Capítulo 6 6.1 6.2 6.3 241 Principios de transferencia de calor en estado estacionario Introducción y mecanismos de la transferencia de calor Transferencia de calor por conducción Conducción a través de sólidos en serie Conducción de estado estacionario y factores de forma Transferencia de calor por convecci6n forzada dentro de tuberias Transferencia de calor por convección forzada en el exterior de diferentes geometrias Transferencia de calor en convección natural Ebullición y condensación Intercambiadores de calor Introducción a la transferencia de calor por radiación Principios avanzados de transferencia de calor por radiación Transferencia de calor en fluidos no newtonianos Casos es