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Thermo Dynamics & Process Design
TABLE OF CONTENTS
LIST OF FIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
LIST OF TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
OBJECTIVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
THERMODYNAMIC PROPERTIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Specific Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Specific Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Intensive and Extensive Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
TEMPERATURE AND PRESSURE MEASUREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Temperature Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Pressure Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
ENERGY, WORK, AND HEAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Specific Internal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Specific P-V Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Specific Enthalpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Energy and Power Equivalences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
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TABLE OF CONTENTS Thermodynamics
TABLE OF CONTENTS (Cont.)
THERMODYNAMIC SYSTEMS AND PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Thermodynamic Systems and Surroundings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Types of Thermodynamic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Thermodynamic Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Control Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Steady State . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Thermodynamic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Cyclic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Reversible Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Irreversible Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Adiabatic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Isentropic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Polytropic Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Throttling Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
CHANGE OF PHASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Classification of Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Saturated and Subcooled Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Moisture Content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Saturated and Superheated Vapors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Constant Pressure Heat Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Critical Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Sublimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Triple Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
PROPERTY DIAGRAMS AND STEAM TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Property Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Pressure-Temperature (P-T) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Pressure-Specific Volume (P-v) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Pressure-Enthalpy (P-h) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Enthalpy-Temperature (h-T) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
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Thermodynamics TABLE OF CONTENTS
TABLE OF CONTENTS (Cont.)
Temperature-Entropy (T-s) Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Enthalpy-Entropy (h-s) or Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Steam Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
FIRST LAW OF THERMODYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
SECOND LAW OF THERMODYNAMICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Carnot’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Diagrams of Ideal and Real Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Power Plant Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Heat Rejection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Typical Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Causes of Inefficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
COMPRESSION PROCESSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Boyle’s and Charles’ Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Ideal Gas Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Compressibility of Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Constant Pressure Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Constant Volume Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Effects of Pressure Changes on Fluid Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Effects of Temperature Changes on Fluid Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
APPENDIX A Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1
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LIST OF FIGURES Thermodynamics
LIST OF FIGURES
Figure 1 Comparison of Temperature Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Figure 2 Pressure Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figure 3 Intensive Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figure 4 Piston-Cylinder Arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figure 5 Vapor Pressure Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figure 6 T-V Diagram Showing the Saturation Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Figure 7 T-V Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Figure 8 Pressure-Temperature Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Figure 9 P-T Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Figure 10 P-v Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figure 11 P-h Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figure 12 h-T Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figure 13 T-s Diagram for Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figure 14 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Figure 15 Control Volume Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Figure 16 Open System Control Volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figure 17 Open System Control Volumes (Cont.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figure 18 Mulitple Control Volumes in Same System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Figure 19 T-s Diagram with Rankine Cycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
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Thermodynamics LIST OF FIGURES
LIST OF FIGURES (Cont.)
Figure 20 Typical Steam Plant Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Figure 21 Carnot Cycle Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Figure 22 Real Process Cycle Compared to Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Figure 23 Control Volume for Second Law Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Figure 24 Expansion and Compression Processes on T-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Figure 25 Expansion and Compression Processes on h-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Figure 26 Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Figure 27 Comparison of Ideal and Actual Turbine Performances . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Figure 28 Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Figure 29 Carnot Cycle vs. Typical Power Cycle Available Energy . . . . . . . . . . . . . . . 86
Figure 30 Ideal Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Figure 31 Rankine Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Figure 32 Rankine Cycle with Real v.s. Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Figure 33 Rankine Cycle Efficiencies T-s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Figure 34 h-s Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Figure 35 Typical Steam Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Figure 36 Steam Cycle (Ideal) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figure 37 Steam Cycle (Real) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figure 38 Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figure 39 Ideal Gas Constant Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Figure 40 Pressure-Volume Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
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LIST OF FIGURES Thermodynamics
Thermo Dynamics & Process Design
LIST OF FIGURES (Cont.)
Figure A-1 Mollier Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1
Figure A-2 Sample Steam Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3
Figure A-3 Thermodynamic Properties of Mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-5
Figure A-4 Thermodynamic Properties of CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-7