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Termodinamica cengel 7th

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Libro de termodinámica

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  • 1. 00front matters.indd 13/1/12 14:14:20

2. Factores de conversin DIMENSINMTRICOMTRICO/INGLSAceleracin1 m/s2 100 cm/s21 m/s2 3.2808 ft/s2 1 ft/s2 0.3048* m/s2rea1 m2 104 cm2 106 mm2 106 km21 m2 1 550 in2 10.764 ft2 1 ft2 144 in2 0.09290304* m2Densidad1 g/cm3 1 kg/L 1 000 kg/m31 g/cm3 62.428 lbm/ft3 0.036127 lbm/in3 1 lbm/in3 1 728 lbm/ft3 1 kg/m3 0.062428 lbm/ft3Energa, calor, trabajo, energa interna, entalpa1 1 1 1 1 1Fuerza1 N 1 kg m/s2 105 dina 1 kgf 9.80665 N1 N 0.22481 lbf 1 lbf 32.174 lbm ft/s2 4.44822 NFlujo de calor1 W/cm2 104 W/m21 W/m2 0.3171 Btu/h ft2kJ 1 000 J 1 000 N m 1 kPa m3 kJ/kg 1 000 m2/s2 kWh 3 600 kJ cal 4.184 J IT cal 4.1868 J Cal 4.1868 kJW/m2 C 1W/m2K1 kJ 0.94782 Btu 1 Btu 1.055056 kJ 5.40395 psia ft3 778.169 lbf ft 1 Btu/lbm 25 037 ft2/s2 2.326* kJ/kg 1 kJ/kg 0.430 Btu/lbm 1 kWh 3 412.14 Btu 1 termia 105 Btu 1.055 105 kJ (gas natural)1 W/m2 C 0.17612 Btu/h ft2 FCoeficiente de transferencia de calor1Longitud1 m 100 cm 1 000 mm 106 mm 1 km 1 000 m1 1 1 1m 39.370 in 3.2808 ft 1.0926 yd ft 12 in 0.3048* m milla 5 280 ft 1.6093 km in 2.54* cmMasa1 kg 1 000 g 1 tonelada mtrica 1 000 kg1 1 1 1 1kg 2.2046226 lbm lbm 0.45359237* kg onza 28.3495 g slug 32.174 lbm 14.5939 kg ton corta 2 000 lbm 907.1847 kgPotencia, velocidad de transferencia de calor1 W 1 J/s 1 kW 1 000 W 1.341 hp 1 hp 745.7 W1 kW 3 412.14 Btu/h 737.56 lbf ft/s 1 hp 550 lbf ft/s 0.7068 Btu/s 42.41 Btu/min 2544.5 Btu/h 0.74570 kW 1 hp de caldera 33 475 Btu/h 1 Btu/h 1.055056 kJ/h 1 ton de refrigeracin 200 Btu/minPresin1 Pa 1 N/m2 1 kPa 103 Pa 103 MPa 1 atm 101.325 kPa 1.01325 bars 760 mm Hg a 0C 1.03323 kgf/cm2 1 mm Hg 0.1333 kPa1 Pa 1.4504 104 psia 0.020886 lbf/ft2 1 psi 144 lbf/ft2 6.894757 kPa 1 atm 14.696 psia 29.92 in Hg a 30F 1 in Hg 3.387 kPaCalor especfico1 kJ/kg C 1 kJ/kg K 1 J/g C1 Btu/lbm F 4.1868 kJ/kg C 1 Btu/lbmol R 4.1868 kJ/kmol K 1 kJ/kg C 0.23885 Btu/lbm F 0.23885 Btu/lbm R* Factores de conversin exactos entre las unidades mtricas e inglesas. Lacalora se define originalmente como la cantidad de calor requerida para aumentar 1C la temperatura de 1 g de agua, pero sta vara con la temperatura. La calora de la tabla de vapor internacional (IT), generalmente preferida por los ingenieros, es exactamente 4.1868 J por definicin y corresponde al calor especfico del agua a 15C. La calora termoqumica, por lo general preferida por los fsicos, es exactamente 4.184 J por definicin y corresponde al calor especfico del agua a temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es aproximadamente 0.06 por ciento, lo cual es despreciable. La Calora con inicial mayscula utilizada por los nutrilogos en realidad es una kilocalora (1 000 caloras IT).00front matters.indd 23/1/12 14:14:21 3. DIMENSINMTRICOMTRICO/INGLSVolumen especfico1 m3/kg 1 000 L/kg 1 000 cm3/g1 m3/kg 16.02 ft3/lbm 1 ft3/lbm 0.062428 m3/kgTemperaturaT(K) T(C) 273.15 T(K) T(C)T(R) T(F) 459.67 1.8T(K) T(F) 1.8 T(C) 32 T(F) T(R) 1.8 T(K)Conductividad trmica1 W/m C 1 W/m K1 W/m C 0.57782 Btu/h ft FVelocidad1 m/s 3.60 km/h1 m/s 3.2808 ft/s 2.237 mi/h 1 mi/h 1.46667 ft/s 1 mi/h 1.6093 km/hVolumen1 m3 1 000 L 106 cm3 (cc)1 m3 6.1024 104 in3 35.315 ft3 264.17 gal (U.S.) 1 U.S. galn 231 in3 3.7854 L 1 fl onza 29.5735 cm3 0.0295735 L 1 U.S. galn 128 fl onzas1 m3/s 60 000 L/min 106 cm3/s1 m3/s 15 850 gal/min (gpm) 35.315 ft3/s 2 118.9 ft3/min (cfm)Tasa de flujo volumtrico Caballode fuerza mecnico. El caballo de vapor elctrico se toma para que sea exactamente igual a 746 W.Algunas constantes fsicas Constante universal de los gasesRu 8.31447 kJ/kmol K 8.31447 kPa m3/kmol K 0.0831447 bar m3/kmol K 82.05 L atm/kmol K 1.9858 Btu/lbmol R 1 545.37 ft lbf/lbmol R 10.73 psia ft3/lbmol RAceleracin de la gravedad estndarg 9.80665 m/s2 32.174 ft/s2Presin atmosfrica estndar1 atm 101.325 kPa 1.01325 bar 14.696 psia 760 mm Hg (0C) 29.9213 in Hg (32F) 10.3323 m H2O (4C)Constante de Stefan-Boltzmann 5.6704 108 W/m2 K4 0.1714 108 Btu/h ft2 R4Constante de Boltzmannk 1.380650 1023 J/KVelocidad de la luz en el vaco Velocidad del sonido en aire seco a 0C y 1 atmco 2.9979 108 m/s 9.836 108 ft/s c 331.36 m/s 1089 ft/sCalor de fusin del agua a 1 atm Entalpa de vaporizacin del agua a 1 atm00front matters.indd 3hif 333.7 kJ/kg 143.5 Btu/lbm hfg 2 256.5 kJ/kg 970.12 Btu/lbm3/1/12 14:14:21 4. 00front matters.indd 43/1/12 14:14:22 5. TERMODINMICA00front matters.indd v3/1/12 14:14:22 6. 00front matters.indd vi3/1/12 14:14:22 7. TERMODINMICA S P T IM A E DIC INYUNUS A. ENGEL University of Nevada, RenoMICHAEL A. BOLES North Carolina State University Revisin tcnicaIgnacio Apraiz Buesa EHU-Universidad del Pas Vasco, EspaaMximo CargneluttiJavier Len CrdenasInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Quertaro, MxicoUniversidad La Salle, MxicoAbraham L. Martnez BautistaGuillermo Eduardo Meja HernndezUniversidad Nacional Autnoma de MxicoInstituto Tecnolgico de Quertaro, MxicoCovadonga Palencia Coto Universidad de Len, EspaaAlejandro Rojas Tapia Universidad Nacional Autnoma de MxicoArmando Sansn Ortega Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Toluca, MxicoOlatz Ukar Arrien Universidad de Deusto, EspaaMXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA SAO PAULO MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO00front matters.indd vii3/1/12 14:14:22 8. Director General Mxico: Miguel ngel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martnez Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado Rodrguez Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Virgilio Gonzlez y Pozo() / Sergio Sarmiento OrtegaTERMODINMICA Sptima edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.DERECHOS RESERVADOS 2012, 2009 respecto a la cuarta edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736ISBN 978-607-15-0743-3 ISBN 978-970-10-7286-8 (de la edicin anterior)Traducido de la sptima edicin en ingls de: Thermodynamics. An Engineering Approach. Copyright 2011 by The McGraw-Hill Companies, Inc. New York, N.Y., U.S.A. All rights reserved. ISBN 978-0-07-352932-512345678901345678902Impreso en Mxico00front matters.indd viiiPrinted in Mexico3/1/12 14:14:22 9. La mente es como un paracadas: trabaja slo cuando est abierta. AnnimoLas leyes de la naturaleza constituyen el gobierno invisible de la tierra. Alfred A. MontapertLa verdadera medida de un hombre es la forma en que trata a alguien que no puede hacerle absolutamente ningn bien. Samuel JohnsonLa grandeza estriba no en ser fuerte, sino en el uso correcto de la fuerza. Henry W. BeecherEl hombre superior es modesto en su habla, pero se excede en sus acciones. ConfucioTrata de no ser un hombre de xito, sino ms bien un hombre de valor. Albert EinsteinIgnorar el mal es volverse su cmplice. Martin Luther King Jr.El carcter, a la larga, es el factor decisivo en la vida tanto de un individuo como en la vida de las naciones. Theodore RooseveltUna persona que ve el bien en las cosas tiene buenos pensamientos. Y quien tiene buenos pensamientos, recibe placer de la vida. Said NursiPara mentes diferentes, la misma palabra es un infierno y un cielo. Ralph W. EmersonUn lder es aquel que ve ms de lo que ven los dems, que ve ms lejos que lo que ven los dems, y que ve antes de que los dems vean. Leroy EimsNunca confundas el conocimiento con la sabidura. Uno te ayuda a ganarte la vida; el otro te ayuda a construir una vida. Sandra CaryComo una sola persona, no puedo cambiar el mundo, pero puedo cambiar el mundo de una persona. Paul S. Spear00front matters.indd ix3/1/12 14:14:22 10. ACERCA DE LOS AUTORESYunus A. engel es profesor emrito de Ingeniera Mecnica en University of Nevada, en Reno. Obtuvo su licenciatura en ingeniera mecnica en Istanbul Technical University, y su maestra y doctorado en ingeniera mecnica en la North Carolina State University. Sus reas de investigacin son energas renovables, la desalacin, el anlisis de exerga y energa y la conservacin. Fue director del Industrial Assessment Center de University of Nevada, de 1996 a 2000. Ha presidido grupos de estudiantes de ingeniera en numerosas instalaciones manufactureras del norte de Nevada y de California, donde hizo evaluaciones industriales, y prepar informes de conservacin de energa, minimizacin de desperdicios y aumento de produccin para esas empresas. El doctor Cengel es coautor de Mecnica de fluidos (segunda edicin, 2012) y de Transferencia de calor y masa (cuarta edicin, 2011), publicados en espaol por McGraw-Hill. Asimismo, ha escrito los ttulos: Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences (tercera edicin, 2008), Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer (segunda edicin, 2008), Essentials of Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications (primera edicin, 2008), tambin publicados por McGraw-Hill. Algunos de sus textos han sido traducidos, adems de al espaol, al chino, japons, coreano, tailands, portugus, turco, italiano, griego y francs. engel recibi varios y notables premios a la enseanza, as como el premio al Autor Distinguido que otorga ASEE Meriam/Wiley, en 1992, y en 2000, por su autora de excelencia. Es un ingeniero profesional registrado en el estado de Nevada y es miembro de American Society of Mechanical Engineers (ASME), y de American Society for Engineering Education (ASEE). Michael A. Boles es profesor asociado de Ingeniera Mecnica y Aeroespacial en North Carolina State University, donde obtuvo su doctorado en ingeniera mecnica, y fue nombrado Profesor Distinguido por los alumnos. El doctor Boles ha recibido numerosos premios y reconocimientos por su excelencia como profesor de ingeniera. Recibi el Premio Ralph R. Teetor de Educacin, de la SAE, y dos veces fue electo para la Academia de Profesores Distinguidos de North Carolina State University. La seccin estudiantil ASME de esa universidad lo ha reconocido en forma consistente como Profesor Notable del Ao, y como el miembro docente con mayor impacto en los alumnos de ingeniera mecnica. Se especializa en transferencia de calor, e intervino en la solucin analtica y numrica de cambio de fase y secado de medios porosos. Es miembro de la American Society for Engineering Education (ASEE) y Sigma Xi. El Dr. Boles recibi el Premio al Autor Distinguido de ASEE Meriam/Wiley, en 1992, por sus excelentes autoras.00front matters.indd x3/1/12 14:14:23 11. CONTENIDO BREVE CAPTULO 1 IN TRO DUC CIN Y CON CEP TOS B SI COS1CAPTULO 2 ENER GA, TRANS FE REN CIA DE ENER GA Y AN LI SIS GE NE RAL DE LA ENER GA CAPTULO 3 PRO PIE DA DES DE LAS SUS TAN CIAS PU RAS111CAPTULO 4 AN LI SIS DE ENER GA DE SIS TE MAS CE RRA DOS165CAPTULO 5 AN LI SIS DE MA SA Y ENER GA DE VO L ME NES DE CON TROL CAPTULO 6 LA SE GUN DA LEY DE LA TER MO DI N MI CA51219279CAPTULO 7 ENTROPA 331 CAPTULO 8 EXER GA: UNA ME DI DA DEL POTENCIAL DE TRA BA JO CAPTULO 9 CI CLOS DE PO TEN CIA DE GAS491CAPTULO 10 CI CLOS DE PO TEN CIA DE VA POR Y COM BI NA DOS CAPTULO 11 CI CLOS DE RE FRI GE RA CIN559615CAPTULO 12 RE LA CIO NES DE PRO PIE DA DES TER MO DI N MI CAS CAPTULO 13 MEZ CLA DE GA SES427667699CAPTULO 14 MEZ CLAS DE GAS-VA POR Y ACON DI CIO NA MIEN TO DE AI RE CAPTULO 15 REAC CIO NES QU MI CAS771CAPTULO 16 EQUI LI BRIO QU MI CO Y DE FA SE CAPTULO 17 FLU JO COM PRE SI BLE737815847APNDICE 1 TA BLAS DE PRO PIE DA DES, FI GU RAS Y DIA GRA MAS (UNI DA DES SI)907APNDICE 2 TA BLAS DE PRO PIE DA DES, FI GU RAS Y DIA GRA MAS (UNI DA DES IN GLE SAS)00front matters.indd xi9573/1/12 14:14:23 12. CONTENIDOPrefacioxixCAPTULO 2CAPTULO 1 INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS 1-1Termodinmica y energa2-1 31-3Sistemas cerrados y abiertos101-4Propiedades de un sistema Continuo2-3 2-4 2-51-6Estado y equilibrio Postulado de estadoProcesos y ciclos131415 16Temperatura y ley cero de la termodinmica 172-6Presin21Variacin de la presin con la profundidad1-10Manmetro2326Otros dispositivos de medicin de presin2-7Barmetro y presin atmosfrica1-12Tcnica para resolver problemas33Paso 1: enunciado del problema 33 Paso 2: esquema 33 Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34 Paso 4: leyes fsicas 34 Paso 5: propiedades 34 Paso 6: clculos 34 Paso 7: razonamiento, comprobacin y anlisis 34 Paquetes de software de ingeniera 35 Programa para resolver ecuaciones de ingeniera (Engineering Equation Solver, EES) 36 Observacin acerca de los dgitos significativos 3800front matters.indd xiiFormas mecnicas del trabajo66La primera ley de la termodinmica70Eficiencia en la conversin de energa78Energa y ambiente86Ozono y esmog 87 Lluvia cida 88 Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climtico 8929396265Eficiencia de dispositivos mecnicos y elctricos 822-8291-11Resumen 39 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 40Transferencia de energa por trabajoBalance de energa 71 Cambio de energa de un sistema, Esistema 72 Mecanismos de transferencia de energa, Eentrada y Esalida 73Escalas de temperatura 17 Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) 201-96061Trabajo de flecha 66 Trabajo de resorte 67 Trabajo hecho sobre barras slidas elsticas 67 Trabajo relacionado con el estiramiento de una pelcula lquida 68 Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68 Formas no mecnicas del trabajo 6914Proceso de flujo estacionarioTransferencia de energa por calorTrabajo elctrico12Densidad y densidad relativa53Antecedentes histricos sobre el calor121-552Algunas consideraciones fsicas en relacin con la energa interna 55 Ms sobre energa nuclear 56 Energa mecnica 5891-8Formas de energaImportancia de las dimensiones y unidades 3 Algunas unidades SI e inglesas 6 Homogeneidad dimensional 8 Relaciones de conversin de unidades1-7Introduccin2-22reas de aplicacin de la termodinmica1-21ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISIS GENERAL DE ENERGA 51Tema de inters especial: Mecanismos de transferencia de calor Resumen 96 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 989297CAPTULO 3 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 3-1Sustancia pura1111123/1/12 14:14:23 13. xiiiCONTENIDOCONTENIDO3-2Fases de una sustancia pura3-3112Tema de inters especial: Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos 193Procesos de cambio de fase en sustancias puras 113 Lquido comprimido y lquido saturado 114 Vapor saturado y vapor sobrecalentado 114 Temperatura de saturacin y presin de saturacin 115 Algunas consecuencias de la dependencia de Tsat y Psat 1173-4Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase 118Tablas de propiedades3-6Ecuacin de estado de gas ideal El vapor de agua es un gas ideal?3-73-8CAPTULO 51215-11275-2137226Anlisis de energa de sistemas de flujo estacionario 2305-4Algunos dispositivos de ingeniera de flujo estacionario 2331441 2 3 4a 4b 5Ecuacin de estado de Van der Waals 144 Ecuacin de estado de Beattie-Bridgeman 145 Ecuacin de estado de Benedict-Webb-Rubin 145 Ecuacin de estado virial 145Resumen 153 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 154Trabajo de flujo y energa de un fluido en movimiento5-3Factor de compresibilidad, una medida de la desviacin del comportamiento de gas ideal 139Tema de inters especial: Presin de vapor y equilibrio de fases220Energa total de un fluido en movimiento 227 Energa transportada por la masa 228139Otras ecuaciones de estadoConservacin de la masaFlujos msico y volumtrico 220 Principio de conservacin de la masa 222 Balance de masa para procesos de flujo estacionario 223 Caso especial: flujo incompresible 224126Entalpa: una propiedad de combinacin 126 1a Estados de lquido saturado y de vapor saturado 1b Mezcla saturada de lquido-vapor 129 2 Vapor sobrecalentado 132 3 Lquido comprimido 133 Estado de referencia y valores de referencia 135201ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE CONTROL 2191 Diagrama T-v 118 2 Diagrama P-v 120 Ampliacin de los diagramas para incluir la fase slida 3 Diagrama P-T 124 Superficie P-v-T 1253-5Resumen 200 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 2011495-5154Toberas y difusores 233 Turbinas y compresores 236 Vlvulas de estrangulamiento 239 Cmaras de mezclado 240 Intercambiadores de calor 242 Flujo en tuberas y ductos 244Anlisis de procesos de flujo no estacionario 246 Tema de inters especial: Ecuacin general de energa Resumen 254 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 255CAPTULO 4 ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS 165251 255CAPTULO 6 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA4-1Trabajo de frontera mvil Proceso politrpico1716-14-2 4-3Calores especficos4-4Energa interna, entalpa y calores especficos de slidos y lquidos 189280Depsitos de energa trmica2816-3Mquinas trmicasEnerga interna, entalpa y calores especficos de gases ideales 1804-5Introduccin a la segunda ley6-2Balance de energa para sistemas cerrados 173 178Relaciones de calores especficos de gases idealesCambios de energa interna Cambios de entalpa 18900front matters.indd xiii189279166182282Eficiencia trmica 283 Es posible ahorrar Qsalida? 285 La segunda ley de la termodinmica: enunciado de Kelvin-Planck 2876-4Refrigeradores y bombas de calor287Coeficiente de desempeo 288 Bombas de calor 289 Desempeo de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor 2903/1/12 14:14:23 14. xivCONTENIDOCONTENIDOLa segunda ley de la termodinmica: enunciado de Clausius 292 Equivalencia de los dos enunciados 2937-116-5Mquinas de movimiento perpetuo2946-6Procesos reversibles e irreversibles296Irreversibilidades 297 Procesos interna y externamente reversibles6-7El ciclo de carnot Ciclo de Carnot inverso7-132996-9Escala termodinmica de temperatura6-10La mquina trmica de Carnot301Calidad de la energa 307 Cantidad contra calidad en la vida diaria6-11303305 307El refrigerador de Carnot y la bomba de calor 308 Tema de inters especial: Refrigeradores domsticos Resumen 315 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 316Balance de entropa373377Cambio de entropa de un sistema, Ssistema 378 Mecanismos de transferencia de entropa, Sentrada y Ssalida 378 1 Transferencia de calor 378 2 Flujo msico 379 Generacin de entropa, Sgen 380 Sistemas cerrados 381 Volmenes de control 381 Generacin de entropa asociada con un proceso de transferencia de calor 388301Principios de Carnot367Eficiencias isentrpicas de dispositivos de flujo estacionario 370 Eficiencia isentrpica de turbinas 371 Eficiencias isentrpicas de compresores y bombas Eficiencia isentrpica de toberas 3752986-8366Compresin en etapas mltiples con interenfriamiento7-12Minimizacin del trabajo del compresorTema de inters especial: Reduccin del costo del aire comprimido 390 Resumen 400 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 402311 316401CAPTULO 8 CAPTULO 7 ENTROPA 7-1EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO 427331Entropa8-1332Caso especial: procesos isotrmicos de transferencia de calor internamente reversibles 3347-2El principio del incremento de entropa Algunos comentarios sobre la entropa3353377-3Cambio de entropa de sustancias puras7-4Procesos isentrpicos7-5 7-6Trabajo reversible e irreversibilidad8-3Eficiencia segn la segunda ley, hII 4363443467-7Las relaciones T ds7-8Cambio de entropa de lquidos y slidos7-9Cambio de entropa de gases ideales3488-5350Cambio de exerga de un sistema431439354362Principio de disminucin de exerga y destruccin de exerga 447 Balance de exerga: sistemas cerrados8-8Trabajo reversible de flujo estacionario8-68-7355Demostracin que los dispositivos de flujo estacionario entregan el mximo trabajo y consumen el mnimo cuando el proceso es reversible 365Transferencia de exerga por calor, trabajo y masa 445 Transferencia de exerga por calor, Q 445 Transferencia de exerga por trabajo, W 446 Transferencia de exerga por masa, m 447351Calores especficos constantes (anlisis aproximado) Calores especficos variables (anlisis exacto) 356 Procesos isentrpicos de gases ideales 358 Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 358 Calores especficos variables (anlisis exacto) 359 Presin relativa y volumen especfico relativo 35900front matters.indd xiv8-2Exerga de una masa fija: exerga sin flujo (o de sistema cerrado) 439 Exerga de una corriente de flujo: exerga de flujo (o corriente) 442La entropa y la generacin de entropa en la vida diaria7-10Exerga (potencial de trabajo) asociada con la energa cintica y potencial 4298-4343Diagramas de propiedades que involucran a la entropa Qu es la entropa?339Exerga: potencial de trabajo de la energa 428Balance de exerga: volmenes de control 460Destruccin de exerga448449Balance de exerga para sistemas de flujo estacionario 461 Trabajo reversible, Wrev 462 Eficiencia segn la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario, h II 4623/1/12 14:14:24 15. xvCONTENIDOCONTENIDOTema de inters especial: Aspectos cotidianos de la segunda ley Resumen 473 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 47410-3 468 10-4474565Cmo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 568 Reduccin de la presin del condensador (reduccin de Tbaja,prom) 568 Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de Talta,prom) 569 Incremento de la presin de la caldera (incremento de Talta,prom) 569CAPTULO 9 CICLOS DE POTENCIA DE GASDesviacin de los ciclos de potencia de vapor reales respecto de los idealizados491 10-5El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 57210-6El ciclo Rankine ideal regenerativo9-1Consideraciones bsicas para el anlisis de los ciclos de potencia 4929-2El ciclo de Carnot y su valor en ingeniera 4949-3Suposiciones de aire estndar9-4Breve panorama de las mquinas reciprocantes 49710-79-5Ciclo de Otto: el ciclo ideal para las mquinas de encendido por chispa 49810-8Cogeneracin10-9Ciclos de potencia combinados de gas y vapor 5919-6496Ciclo Diesel: el ciclo ideal para las mquinas de encendido por compresin 5049-7Ciclos Stirling y Ericsson9-8Anlisis de ciclos de potencia de vapor con base en la segunda leyCiclo Brayton: el ciclo ideal para los motores de turbina de gas 511584587Tema de inters especial: Ciclos binarios de vapor507594Resumen 597 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 598Desarrollo de las turbinas de gas 514 Desviacin de los ciclos reales de turbina de gas en comparacin con los idealizados 517576Calentadores abiertos de agua de alimentacin 576 Calentadores cerrados de agua de alimentacin 578597CAPTULO 119-9Ciclo Brayton con regeneracin5199-10Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin 5219-11Ciclos ideales de propulsin por reaccinCICLOS DE REFRIGERACIN61511-1Refrigeradores y bombas de calor11-2El ciclo invertido de CarnotAnlisis de ciclos de potencia de gas con base en la segunda ley 53111-3El ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor 618Tema de inters especial: Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez 53411-4Ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor 62211-5Anlisis de la segunda ley del ciclo de refrigeracin por compresin de vapor 62411-6Seleccin del refrigerante adecuado11-7Sistemas de bombas de calor11-8Sistemas innovadores de refrigeracin por compresin de vapor 633Modificaciones para motores de turborreactor9-12Resumen 541 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 543529525543CAPTULO 10 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS 559 10-1El ciclo de vapor de Carnot10-2Ciclo Rankine: el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor00front matters.indd xv562617629631Sistemas de refrigeracin en cascada 633 Sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapas 636 Sistemas de refrigeracin de propsito mltiple con un solo compresor 638 Licuefaccin de gases 639560Anlisis de energa del ciclo Rankine ideal61656111-9Ciclos de refrigeracin de gas64111-10 Sistemas de refrigeracin por absorcin6443/1/12 14:14:24 16. xviCONTENIDOCONTENIDO Referencias y lecturas recomendadas Problemas 727Tema de inters especial: Sistemas termoelctricos de generacin de potencia y de refrigeracin 647 Resumen 649 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 650727CAPTULO 14650MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRECAPTULO 1273714-1Aire seco y aire atmosfrico14-2Humedad especfica y relativa del aire14-3Temperatura de punto de rocoUn poco de matemticas: derivadas parciales y relaciones asociadas 66814-4Temperaturas de saturacin adiabtica y de bulbo hmedoDiferenciales parciales 669 Relaciones de derivadas parciales14-5La carta psicromtrica14-6Comodidad humana y acondicionamiento de aireRELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS 667 12-112-2Relaciones de Maxwell12-3La ecuacin de Clapeyron12-4671672Relaciones generales para du, dh, ds, cv y cp 677674 14-712-5El coeficiente de Joule-Thomson12-6Las h, u y s de gases reales684741 743746 747Procesos de acondicionamiento de aireResumen 759 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 761685Cambios en la entalpa de gases reales 686 Cambios de energa interna de gases ideales 687 Cambios de entropa de gases reales 687REACCIONES QUMICAS771699Composicin de una mezcla de gases: fracciones molares y de masa 70013-2Combustibles y combustin15-213-1Procesos de combustin terica y real15-3Entalpa de formacin y entalpa de combustin 78215-4Anlisis de sistemas reactivos con base en la primera ley 785Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 702 Mezclas de gases ideales 703 Mezclas de gases reales 703Propiedades de mezclas de gases: gases ideales y reales 707 Mezclas de gases ideales 708 Mezclas de gases reales 711Tema de inters especial: Potencial qumico y el trabajo de separacin de mezclas 715 Resumen00front matters.indd xvi726750CAPTULO 15 691CAPTULO 1313-374976115-1MEZCLA DE GASES739Calentamiento y enfriamiento simples (V = constante) Calentamiento con humidificacin 751 Enfriamiento con deshumidificacin 752 Enfriamiento evaporativo 754 Mezclado adiabtico de flujos de aire 755 Torres de enfriamiento hmedo 757Cambios en la energa interna 677 Cambios de entalpa 678 Cambios de entropa 679 Calores especficos cv y cp 680Resumen 690 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 691738Sistemas de flujo estacionario Sistemas cerrados 78777278615-5Temperatura de flama adiabtica15-6Cambio de entropa de sistemas reactivos15-7776790793Anlisis de sistemas reactivos con base en la segunda ley 795 Tema de inters especial: Celdas de combustible 800 Resumen 802 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 8038033/1/12 14:14:24 17. xviiCONTENIDOCONTENIDOCAPTULO 16APNDICE 1EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE815TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES SI) 90716-1Criterio para el equilibrio qumico16-2La constante de equilibrio para mezclas de gases ideales 818Tabla A-116-3Algunas observaciones respecto a la Kp de las mezclas de gases idealesTabla A-216-4822Tabla A-3Equilibrio qumico para reacciones simultneas 82616-5816Variacin de Kp con la temperatura16-6Equilibrio de faseTabla A-4828830Equilibrio de fase para un sistema de un solo componente 830 La regla de fases 831 Equilibrio de fases para un sistema multicomponente Resumen 837 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 839832838CAPTULO 17 FLUJO COMPRESIBLETabla A-11847Tabla A-1217-1Propiedades de estancamiento17-2Velocidad del sonido y nmero de Mach17-3Flujo isentrpico unidimensional848 851853Variacin de la velocidad del fluido con el rea de flujo 856 Relaciones de propiedades para el flujo isentrpico de gases ideales 85817-4Tabla A-16Flujo isentrpico a travs de toberas aceleradoras 860Tabla A-17 Tabla A-18Ondas de choque y ondas de expansin Choques normales 869 Choques oblicuos 876 Ondas expansivas de Prandtl-Meyer17-6869880TOBERAS DE VAPOR de agua Resumen 896 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 898Tabla A-19 Tabla A-20Flujo en un ducto con transferencia de calor, de friccin insignificante (flujo de Rayleigh) 884 Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh Flujo de Rayleigh ahogado 89117-7Tabla A-13 Figura A-14 Figura A-15Toberas convergentes 860 Toberas divergentes 86517-5Tabla A-5 Tabla A-6 Tabla A-7 Tabla A-8 Figura A-9 Figura A-10Tabla A-21 890Tabla A-22893Tabla A-23 897Tabla A-24 Tabla A-2500front matters.indd xviiMasa molar, constante de gas y propiedades del punto crtico 908 Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 909 Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 912 Agua saturada. Tabla de temperaturas 914 Agua saturada. Tabla de presiones 916 Vapor de agua sobrecalentado 918 Agua lquida comprimida 922 Hielo saturado. Vapor de agua 923 Diagrama T-s para el agua 924 Diagrama de Mollier para el agua 925 Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 926 Refrigerante 134a saturado. Tabla de presin 928 Refrigerante 134a sobrecalentado 929 Diagrama P-h para el refrigerante 134a 931 Carta generalizada de compresibilidad de Nelson-Obert 932 Propiedades de la atmsfera a gran altitud 933 Propiedades de gas ideal del aire 934 Propiedades de gas ideal del nitrgeno, N2 936 Propiedades de gas del oxgeno, O2 938 Propiedades de gas ideal del dixido de carbono, CO2 940 Propiedades de gas ideal del monxido de carbono, CO 942 Propiedades de gas ideal del hidrgeno, H2 944 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 945 Propiedades de gas ideal del oxgeno monoatmico, O 947 Propiedades de gas ideal del hidroxilo, OH 9473/1/12 14:14:24 18. xviiiCONTENIDOTabla A-26Tabla A-27 Tabla A-28 Figura A-29 Figura A-30 Figura A-31 Tabla A-32Tabla A-33Tabla A-34Entalpa de formacin, funcin de Gibbs de formacin y entropa absoluta a 25C, 1 atm 948 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 949 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp 950 Carta generalizada de desviacin de entalpa 951 Carta generalizada de desviacin de entropa 952 Carta psicromtrica a 1 atm de presin total 953 Funciones de flujo compresible unidimensional e isentrpico de un gas ideal con k 1.4 954 Funciones de choque normal unidimensional de un gas ideal con k 1.4 955 Funciones del flujo de Rayleigh para un gas ideal con k 1.4 956APNDICE 2 TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) 957 Tabla A-1E Tabla A-2E Tabla A-3E Tabla A-4E Tabla A-5E00front matters.indd xviiiMasa molar, constante de gas y propiedades del punto crtico 958 Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 959 Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 962 Agua saturada. Tabla de temperaturas 964 Agua saturada. Tabla de presiones 966CONTENIDOTabla A-6E Tabla A-7E Tabla A-8E Figura A-9E Figura A-10E Tabla A-11EVapor de agua sobrecalentado 968 Agua lquida comprimida 972 Hielo saturado. Vapor de agua 973 Diagrama T-s para el agua 974 Diagrama de Mollier para el agua 975 Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 976 Tabla A-12E Refrigerante 134a saturado. Tabla de presin 977 Tabla A-13E Refrigerante 134a sobrecalentado 978 Figura A-14E Diagrama P-h para refrigerante 134a 980 Tabla A-16E Propiedades de la atmsfera a gran altitud 981 Tabla A-17E Propiedades de gas ideal del aire 982 Tabla A-18E Propiedades de gas ideal del nitrgeno, N2 984 Tabla A-19E Propiedades de gas ideal del oxgeno, O2 986 Tabla A-20E Propiedades de gas ideal del dixido de carbono, CO2 988 Tabla A-21E Propiedades de gas ideal del monxido de carbono, CO 990 Tabla A-22E Propiedades de gas ideal del hidrgeno, H2 992 Tabla A-23E Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 993 Tabla A-26E Entalpa de formacin, funcin de Gibbs de formacin y entropa absoluta a 77C, 1 atm 995 Tabla A-27E Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 996 Figura A-31E Grfica psicromtrica a 1 atm de presin total 997 ndice analtico9993/1/12 14:14:25 19. PREFACIOANTECEDENTES La termodinmica es una materia excitante y fascinante que trata sobre la energa, la cual es esencial para la conservacin de la vida mientras que la termodinmica ha sido por mucho tiempo una parte fundamental de los programas de estudio de ingeniera en todo el mundo. Es una ciencia que tiene una amplia aplicacin: desde los organismos microscpicos hasta los electrodomsticos, los vehculos de transporte, los sistemas de generacin de energa elctrica e incluso la filosofa. Este libro contiene material suficiente para dos cursos consecutivos de termodinmica; se presupone que los estudiantes poseen antecedentes slidos en fsica y clculo.OBJETIVOS Esta obra est pensada para utilizarse por los estudiantes como libro de texto durante los ltimos aos de su licenciatura, as como por ingenieros como libro de referencia. Sus objetivos son: Cubrir los principios bsicos de la termodinmica. Presentar una vasta cantidad de ejemplos reales de ingeniera con la finalidad de proporcionar al estudiante una idea de cmo se aplica la termodinmica en la prctica de la ingeniera. Desarrollar una comprensin intuitiva de la termodinmica haciendo nfasis en la fsica y en los argumentos fsicos. Se desea sobre todo que este libro mediante sus explicaciones claras sobre conceptos y del uso de numerosos ejemplos prcticos y figuras ayude a los estudiantes a desarrollar las habilidades bsicas para llenar el hueco que existe entre el conocimiento y la confianza para aplicar adecuadamente tal aprendizaje.FILOSOFA Y OBJETIVO La filosofa que contribuy a la enorme popularidad que gozaron las ediciones anteriores de esta obra se ha conservado intacta en esta nueva edicin. En particular, el objetivo ha sido proporcionar un libro de ingeniera que: Llegue directamente y de una manera sencilla pero precisa a la mente de los futuros ingenieros. Conduzca a los estudiantes a una comprensin clara y un conocimiento slido de los principios bsicos de la termodinmica. Fomente el pensamiento creativo y el desarrollo de una compresin ms profunda y un conocimiento intuitivo sobre la materia. Sea ledo por los estudiantes con inters y entusiasmo en vez de que se utilice como una ayuda en la resolucin de problemas. Se ha hecho un esfuerzo especial para incrementar la curiosidad natural de los lectores y ayudar a los estudiantes a explorar las diversas facetas del emo-00front matters.indd xix3/1/12 14:14:25 20. xxPREFACIOcionante tema de la termodinmica. La respuesta entusiasta que hemos recibido por parte de los usuarios de ediciones anteriores desde pequeas escuelas hasta grandes universidades alrededor del mundo indica que nuestros objetivos se han alcanzado en buena parte. En nuestra filosofa, creemos que la mejor forma de aprender es a travs de la prctica, por lo tanto se ha realizado un esfuerzo especial a lo largo de todo el libro para reforzar el material que se present en ediciones anteriores. Anteriormente, los ingenieros pasaban una gran parte de su tiempo sustituyendo valores en las frmulas y obteniendo resultados numricos. Sin embargo, ahora la manipulacin de frmulas y el procesamiento de datos numricos se dejan principalmente a las computadores. El ingeniero del maana deber tener una comprensin clara y conocimientos firmes sobre los principios bsicos de modo que pueda entender incluso los problemas ms complejos, formularlos e interpretar los resultados. Nos esforzamos por enfatizar estos principios bsicos y adems de ofrecer a los estudiantes un panorama del uso que se da a las computadores en la prctica de la ingeniera. En todo el libro se utiliza el enfoque tradicional clsico o macroscpico, con argumentos microscpicos de apoyo. Este enfoque est ms acorde con la intuicin de los estudiantes y hace mucho ms fcil el aprendizaje de la materia.LO NUEVO EN ESTA EDICIN El cambio principal en esta sptima edicin lo constituyen las mejoras de un gran nmero de ilustraciones lineales para convertirlas en figuras tridimensionales realistas; y la inclusin de alrededor de 400 problemas nuevos. Se conservan todas las caractersticas sobresalientes de las ediciones anteriores, y el cuerpo principal de todos los captulos, adems de que las tablas y grficas en los apndices permanecen sin cambios en su mayora. Cada captulo contiene ahora por lo menos un nuevo problema de ejemplo resuelto, y una parte importante de los problemas existentes estn modificados. En el captulo 1, se actualiz la seccin de dimensiones y unidades, y se ha agregado una nueva subseccin al captulo 6 sobre el desempeo de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas trmicas. En el captulo 8, se ha puesto al da el material sobre la eficiencia de segunda ley, y algunas definiciones de eficiencia de segunda ley se revisaron para darles coherencia. Asimismo, se han extendido en la seccin las exposiciones sobre aspectos de la vida diaria en relacin con la segunda ley. El captulo 11 tiene ahora una nueva seccin que se titula Anlisis de la segunda ley del ciclo de refrigeracin por compresin de vapor.MS DE 400 PROBLEMAS NUEVOS Esta edicin incluye ms de 400 problemas nuevos con una diversidad de aplicaciones. Los problemas cuyas soluciones exigen investigaciones paramtricas y, por lo tanto, el uso de una computadora, se identifican por el cono . Algunos problemas existentes en ediciones anteriores se han eliminado del texto.HERRAMIENTAS PARA EL APRENDIZAJE INTRODUCCIN TEMPRANA A LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA La primera ley de la termodinmica se presenta al principio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y anlisis general de energa. Este captulo introductorio conforma el marco para establecer una comprensin general de las diferentes formas de la energa, los mecanismos para la transferencia de energa, el concepto de balance de energa, la economa termodinmica, la con-00front matters.indd xx3/1/12 14:14:25 21. xxiPREFACIOversin de energa y la eficiencia de conversin, mediante el uso de escenarios familiares dentro de los que se incluyen formas de energa elctrica y mecnica, principalmente. Asimismo, en las primeras etapas del curso se exponen a los estudiantes algunas aplicaciones formidables de la termodinmica en la vida real, que les ayuda a crear conciencia del valor econmico de la energa. Vale sealar el nfasis en la utilizacin de energa renovable, como la elica y la hidrulica, y el uso eficiente de los recursos existentes.NFASIS EN LA FSICA Una caracterstica distintiva de este libro es el nfasis en los aspectos fsicos del tema, adems de las representaciones y manipulaciones. Los autores creen que el nfasis en la educacin de licenciatura debe ser desarrollar un sentido de los mecanismos fsicos subyacentes, y un dominio de solucin de problemas prcticos que es probable que un ingeniero deba encarar en el mundo real. El desarrollo de una comprensin intuitiva en el transcurso del curso de Termodinmica debe ser algo motivador y valioso para los estudiantes.USO EFICIENTE DE LA ASOCIACIN Una mente observadora no debe tener dificultades para comprender las ciencias de la ingeniera. Despus de todo, los principios de estas ciencias se basan en experiencias cotidianas y observaciones experimentales. A lo largo de la obra se usar un enfoque intuitivo ms fsico y con frecuencia se realizan similitudes entre el tema en cuestin y las experiencias diarias de los estudiantes, de modo que puedan relacionar la materia estudiada con lo que saben de antemano. El proceso de cocinar, por ejemplo, sirve como un excelente vehculo para demostrar los principios bsicos de la termodinmica.AUTOAPRENDIZAJE El material del texto se presenta en un nivel de complejidad tal que un estudiante promedio pueda seguirlos sin tener ningn problema. Se dirige a los estudiantes, no por encima de ellos; de hecho, se presta para el autoaprendizaje. La secuencia de la cobertura del material va de lo simple a lo general. Es decir, comienza con el caso ms simple y agrega complejidad de forma gradual. De esta manera los conceptos bsicos se aplican repetidamente a sistemas distintos, por lo que los estudiantes adquieren un dominio de cmo aplicar los principios en lugar de cmo simplificar una frmula general. Al observar que los principios de la ciencia se basan en observaciones experimentales, todas las deducciones que se presentan en este libro se basan en argumentos fsicos, por lo tanto son fciles de seguir y comprender.AMPLIO USO DE IMGENES Las figuras son instrumentos importantes para el aprendizaje y permiten a los estudiantes darse una idea general. En el texto se hace un uso eficiente de los grficos: contiene ms figuras e ilustraciones que ningn otro libro de esta categora. Adems, se han mejorado una gran cantidad de figuras para volverlas tridimensionales y, por lo tanto, ms realistas. Las figuras atraen la atencin y estimulan la curiosidad y el inters. La mayora de las figuras sirven como un medio para enfatizar conceptos importantes que de otra forma pasaran inadvertidos, mientras que otras se utilizan como resmenes de prrafos. El famoso personaje de la historieta Blondie (en espaol conocido como Lorenzo Parachoques, de la tira cmica Lorenzo y Pepita) se usa para resaltar con humor algunos puntos clave, as como para romper el hielo y relajar la tensin. Quin dice que el estudio de la termodinmica no puede ser divertido?00front matters.indd xxi3/1/12 14:14:25 22. xxiiPREFACIOOBJETIVOS DE APRENDIZAJE Y RESMENES Los captulos comienzan con una descripcin general del material que se estudiar y con los objetivos de aprendizaje especficos. Al final de cada captulo se incluye un resumen que proporciona una revisin rpida de los conceptos bsicos y relaciones importantes enfatizando la importancia del material.NUMEROSOS EJEMPLOS DE EJERCICIOS CON UN PROCEDIMIENTO SISTEMTICO PARA RESOLVERLOS Cada captulo contiene varios ejemplos de ejercicios que esclarecen el material e ilustran el uso de los principios bsicos. En la resolucin de los problemas de ejemplo se utiliz un enfoque intuitivo y sistemtico. En primer trmino, se enuncia el problema y se identifican los objetivos. Despus, se establecen las suposiciones junto con sus justificaciones. En forma separada, se enlistan las propiedades necesarias para resolver el problema, si as lo amerita. Se utilizan valores numricos en conjunto con sus unidades para enfatizar que si los primeros carecen de las segundas no tienen ningn significado, y que la manipulacin de stas es tan importante como la manipulacin de aqullos mediante el uso de la calculadora. Una vez que se llega a la solucin, se analiza el significado del valor que se obtuvo. Este mtodo se utiliza tambin de manera consistente en las resoluciones que se presentan en el manual de respuestas del profesor.UNA GRAN CANTIDAD DE PROBLEMAS REALES AL FINAL DE CADA CAPTULO Los problemas que se incluyen al final de cada captulo estn agrupados bajo temas especficos a fin de hacer que la seleccin de problemas sea ms fcil tanto para el profesor como para el estudiante. En cada grupo de problemas se encuentran Preguntas de concepto, indicadas con la letra C, para verificar el nivel de comprensin del estudiante sobre conceptos bsicos. Los problemas que se agrupan en el apartado Problemas de repaso son de naturaleza ms completa y no estn relacionados directamente con alguna seccin especfica de determinado captulo (en algunos casos requieren la revisin del material que se aprendi en los captulos anteriores). Los del apartado Diseo y ensayo tienen como objetivo alentar a los estudiantes a elaborar juicios sobre ingeniera, conducir la investigacin independiente de temas de inters y comunicar sus descubrimientos de manera profesional. Los problemas identificados con la letra E estn en unidades inglesas, por lo que los usuarios pueden del SI pueden ignorarlos. Los problemas marcados con el cono resolverse utilizando el software Engineer Equation Solver (EES) u otro similar. Varios problemas relacionados con la economa y la seguridad se incorporan a lo largo del libro para reforzar entre los estudiantes de ingeniera la conciencia acerca del costo y la seguridad. Las respuestas a algunos problemas seleccionados se enumeran inmediatamente despus de la descripcin de los mismos para mayor comodidad. Adems, con el fin de preparar a los estudiantes para el examen sobre fundamentos de ingeniera (que cada vez cobra mayor importancia en el criterio de seleccin del ABET 2000) y para facilitar los exmenes de opcin mltiple, se incluyeron ms de 200 problemas de opcin mltiple en los diferentes apartados de los problemas que se hallan al final de cada captulo. Dichos problemas estn identificados bajo el ttulo Problemas para el examen sobre fundamentos de ingeniera (FI) a fin de que sean reconocibles fcilmente. El objetivo de estos problemas es verificar la comprensin de los fundamentos y ayudar a los lectores a evitar que incurran en errores comunes.00front matters.indd xxii3/1/12 14:14:26 23. xxiiiPREFACIOCONVENCIN DE SIGNOS Se renuncia al uso de una convencin de signos formal para calor y trabajo debido a que a menudo puede ser contraproducente. Se adopta un mtodo fsicamente significativo e interesante para crear interacciones en lugar de un mtodo mecnico. Los subndices entrada y salida se emplean en lugar de los signos ms y menos con el fin de sealar las direcciones de las interacciones.FRMULAS FSICAMENTE SIGNIFICATIVAS Se usan las formas fsicamente significativas de las ecuaciones de balance en lugar de las frmulas, a fin de fomentar una comprensin ms profunda y evitar un mtodo del tipo receta de cocina. Los balances de masa, energa, entropa y exerga para cualquier sistema que experimenta cualquier proceso se expresan como sigue Balance de masa:mentrada msalida msistemaBalance de energa:E entrada E salida E sistema Balance de entropa: Transferencia neta de energa por calor, trabajo y masaCambio en la energa interna, cintica, potencial, etc.S entrada S salida S gen S sistema Balance de exerga: Transferencia neta de entropa por calor, trabajo y masaGeneracin entrpicaCambio en la entropaX entrada X salida Xeliminado X sistema Transferencia neta de exerga por calor, trabajo y masaDestruccin de exergaCambio de exergaEstas relaciones reafirman que durante un proceso real la masa y la energa se conservan, la entropa se genera y la exerga se destruye. Se invita a los estudiantes a que usen estas formas de balance en los primeros captulos despus de que especifiquen el sistema y las simplifiquen para cada problema en particular. Un mtodo mucho ms relajado se emplea en los captulos posteriores a medida que los estudiantes van adquiriendo un mayor dominio.LA SELECCIN DE UNIDADES SI O EN UNIDADES INGLESAS Como un reconocimiento al hecho de que las unidades inglesas an se usan ampliamente en algunas industrias, en el libro se emplean tanto unidades SI como inglesas, haciendo nfasis en el SI. El contenido se puede cubrir usando la combinacin de unidades SI e inglesas o nicamente las del SI, de acuerdo con la preferencia del profesor. Las grficas y tablas de propiedades en los apndices se presentan en ambas unidades, excepto en aquellas que implican cantidades dimensionales. Los problemas, tablas y grficas en unidades inglesas estn identificados con la letra E, colocado despus del nmero con la finalidad de que sea sencillo reconocerlos; asimismo, los usuarios del sistema SI pueden ignorarlos sin ningn problema.TEMAS DE INTERS ESPECIAL La mayora de los captulos contienen una seccin llamada Tema de inters especial, en la que se analizan algunos aspectos interesantes de la termodinmica. Ejemplos de ello son Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos, que aparece en el captulo 4; Refrigeradores domsticos, del 6; Aspectos cotidianos de la segunda ley, del 8, y Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez, del captulo 9. Los temas seleccionados para esta seccin ofrecen extensiones verdaderamente intrigantes sobre termodinmica, sin embargo, si se desea pueden omitirse sin que esto represente una prdida de continuidad.00front matters.indd xxiii3/1/12 14:14:26 24. xxivPREFACIOGLOSARIO DE TRMINOS TERMODINMICOS A lo largo de todos los captulos, cuando se presenta y define un trmino o concepto de fundamental importancia, ste aparece en negritas.FACTORES DE CONVERSIN Los factores de conversin y las constantes fsicas de uso frecuente se listan en las pginas de las cubiertas interiores del texto para que sean una referencia fcil de usar.MATERIALES DE APOYO Esta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseanza-aprendizaje, as como la evaluacin de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin y conocer la poltica de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill.AGRADECIMIENTOS Los autores desean reconocer, con aprecio, los numerosos y valiosos comentarios, sugerencias, crticas constructivas y elogios por parte de los siguientes evaluadores y revisores: Ralph Aldredge University of CaliforniaDavisM. Cengiz Altan University of OklahomaM. Ruhul Amin Montana State UniversityEdward E. Anderson Texas Tech UniversityKirby S. Chapman Kansas State UniversityRam Devireddy Louisiana State UniversityTimothy Dowling University of LouisvilleGloria D. Elliott University of North CarolinaCharlotteAfshin J. Ghajar Oklahoma State UniversityDaniel K. Harris Auburn UniversityJerre M. Hill University of North CarolinaCharlotteShoeleh Di Julio California State UniversityNorthridge00front matters.indd xxivGunol Kojasoy University of WisconsinMilwaukeeMarilyn Lightstone McMaster UniversityRobert P. Lucht Purdue UniversityPedro J. Mago Mississippi State UniversityJames A. Mathias Southern Illinois State UniversityPavlos G. Mikellides Arizona State UniversityLaurent Pilon University of CaliforniaLos AngelesSubrata Roy Kettering UniversityBrian Savilonis Worcester Polytechnic InstituteKamran Siddiqui Concordia UniversityRobert Spall Utah State UniversityIsrael Urieli Ohio University3/1/12 14:14:26 25. xxvPREFACIOSus sugerencias ayudaron mucho a mejorar la calidad de este texto. En particular quisiramos expresar nuestra gratitud a Mehmet Kanoglu, de University of Gaziantep, Turqua, por sus valiosas contribuciones, su revisin crtica del manuscrito y su especial atencin a la exactitud y al detalle. Tambin quisiramos agradecer a nuestros alumnos, de quienes conocimos gran cantidad de retroalimentacin, de acuerdo con sus perspectivas. Por ltimo, deseamos expresar nuestro aprecio a nuestras esposas, Zehra engel y Sylvia Boles, as como a nuestros hijos, por su persistente paciencia, comprensin y apoyo durante la preparacin de este texto. Yunus A. engel Michael A. Boles00front matters.indd xxv3/1/12 14:14:26 26. 00front matters.indd xxvi3/1/12 14:14:26 27. CAPTULO1INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOSToda ciencia posee un vocabulario nico y la termodinmica no es la excepcin. La denicin precisa de conceptos bsicos constituye una base slida para el desarrollo de una ciencia y evita posibles malas interpretaciones. Este captulo inicia con un repaso de la termodinmica y los sistemas de unidades y contina con la explicacin de algunos conceptos bsicos, como sistema, estado, postulado de estado, equilibrio y proceso. Tambin se analizan los trminos temperatura y escalas de temperatura con especial nfasis en la Escala Internacional de Temperatura de 1990. Posteriormente se presenta presin, denida como la fuerza normal que ejerce un uido por unidad de rea, y se analizan las presiones absoluta y manomtrica, la variacin de la presin con la profundidad y los instrumentos de medicin de presin, como manmetros y barmetros. El estudio cuidadoso de estos conceptos es esencial para lograr una buena comprensin de los temas tratados en este libro. Por ltimo, se presenta una tcnica para resolver problemas, intuitiva y sistemtica, que se puede usar como modelo en la solucin de problemas de ingeniera.OBJETIVOS En el captulo 1, los objetivos son: Identicar el vocabulario especco relacionado con la termodinmica por medio de la denicin precisa de conceptos bsicos con la nalidad de formar una base slida para el desarrollo de los principios de la termodinmica.Revisar los sistemas de unidades SI mtrico e ingls que se utilizarn en todo el libro. Explicar los conceptos bsicos de la termodinmica, como sistema, estado, postulado de estado, equilibrio, proceso y ciclo. Revisar los conceptos de temperatura, escalas de temperatura, presin y presiones absoluta y manomtrica. Introducir una tcnica intuitiva y sistemtica para resolver problemas.01Chapter_01 ITALICAS.indd 17/12/11 15:30:07 28. 2INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS1-1EP = 10 unidades Energa potencial EC = 0EP = 7 unidades EC = 3 unidadesEnerga cinticaFIGURA 1-1 La energa no se crea ni se destruye; slo se transforma (primera ley).Almacenaje de energa (1 unidad) Entrada de energa (5 unidades) Salida de energa (4 unidades)FIGURA 1-2 Principio de conservacin de la energa para el cuerpo humano.01Chapter_01 ITALICAS.indd 2TERMODINMICA Y ENERGALa termodinmica se puede definir como la ciencia de la energa. Aunque todo el mundo tiene idea de lo que es la energa, es difcil definirla de forma precisa. La energa se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El trmino termodinmica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo ms descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energa. En la actualidad, el concepto se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energa y sus transformaciones, incluida la generacin de potencia, la refrigeracin y las relaciones entre las propiedades de la materia. Una de las ms importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservacin de la energa. ste expresa que durante una interaccin, la energa puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante. Es decir, la energa no se crea ni se destruye. Una roca que cae de un acantilado, por ejemplo, adquiere velocidad como resultado de su energa potencial convertida en energa cintica (Fig. 1-1). El principio de conservacin de la energa tambin estructura la industria de las dietas: una persona que tiene un mayor consumo energtico (alimentos) respecto a su gasto de energa (ejercicio) aumentar de peso (almacena energa en forma de grasa), mientras otra persona con una ingestin menor respecto a su gasto energtico perder peso (Fig. 1-2). El cambio en el contenido energtico de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la diferencia entre la entrada y la salida de energa, y el balance de sta se expresa como Eentrada Esalida E. La primera ley de la termodinmica es simplemente una expresin del principio de conservacin de la energa, y sostiene que la energa es una propiedad termodinmica. La segunda ley de la termodinmica afirma que la energa tiene calidad as como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energa. Por ejemplo, una taza de caf caliente sobre una mesa en algn momento se enfra, pero una taza de caf fro en el mismo espacio nunca se calienta por s misma (Fig. 1-3). La energa de alta temperatura del caf se degrada (se transforma en una forma menos til a otra con menor temperatura) una vez que se transfiere hacia el aire circundante. Aunque los principios de la termodinmica han existido desde la creacin del universo, esta ciencia surgi como tal hasta que Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712 construyeron en Inglaterra las primeras mquinas de vapor atmosfricas exitosas, las cuales eran muy lentas e ineficientes, pero abrieron el camino para el desarrollo de una nueva ciencia. La primera y la segunda leyes de la termodinmica surgieron de forma simultnea a partir del ao de 1850, principalmente de los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y lord Kelvin (antes William Thomson). El trmino termodinmica se us primero en una publicacin de lord Kelvin en 1849; y por su parte, William Rankine, profesor en la universidad de Glasgow, escribi en 1859 el primer texto sobre el tema. Se sabe que una sustancia est constituida por un gran nmero de partculas llamadas molculas, y que las propiedades de dicha sustancia dependen, por supuesto, del comportamiento de estas partculas. Por ejemplo, la presin de un gas en un recipiente es el resultado de la transferencia de cantidad de movimiento entre las molculas y las paredes del recipiente. Sin embargo, no es necesario conocer el comportamiento de las partculas de gas para determinar la presin en el recipiente, bastara con colocarle7/12/11 15:30:08 29. 3CAPTULO 1un medidor de presin al recipiente. Este enfoque macroscpico al estudio de la termodinmica que no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partculas se llama termodinmica clsica, y proporciona un modo directo y fcil para la solucin de problemas de ingeniera. Un enfoque ms elaborado, basado en el comportamiento promedio de grupos grandes de partculas individuales, es el de la termodinmica estadstica. Este enfoque microscpico es bastante complicado y en este libro slo se usa como apoyo.Ambiente fro 20 C Caf caliente 70 CCalorreas de aplicacin de la termodinmica En la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interaccin entre la energa y la materia; por consiguiente, es difcil imaginar un rea que no se relacione de alguna manera con la termodinmica. Por lo tanto, desarrollar una buena comprensin de los principios bsicos de esta ciencia ha sido durante mucho tiempo parte esencial de la educacin en ingeniera. Comnmente la termodinmica se encuentra en muchos sistemas de ingeniera y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos para comprobar esto. De hecho no se necesita ir a ningn lado. Por ejemplo, el corazn bombea sangre en forma constante a todo nuestro cuerpo, diferentes conversiones de energa ocurren en billones de clulas y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el ambiente. El confort humano tiene estrecha relacin con la tasa de esta emisin de calor metablico. Se intenta controlar esta transferencia de calor ajustando la ropa a las condiciones ambientales. Existen otras aplicaciones de la termodinmica en el lugar que se habita. Una casa ordinaria es, en algunos aspectos, una sala de exhibicin de maravillas relacionadas con la termodinmica (Fig. 1-4). Muchos utensilios domsticos y aplicaciones estn diseados, completamente o en parte, mediante los principios de la termodinmica. Algunos ejemplos son la estufa elctrica o de gas, los sistemas de calefaccin y aire acondicionado, el refrigerador, el humidificador, la olla de presin, el calentador de agua, la regadera, la plancha e incluso la computadora y el televisor. En una escala mayor, la termodinmica desempea una parte importante en el diseo y anlisis de motores automotrices, cohetes, motores de avin, plantas de energa convencionales o nucleares, colectores solares, y en el diseo de todo tipo de vehculos desde automviles hasta aeroplanos (Fig. 1-5). Los hogares que usan eficazmente la energa se disean con base en la reduccin de prdida de calor en invierno y ganancia de calor en verano. El tamao, la ubicacin y entrada de potencia del ventilador de su computadora tambin se selecciona tras un estudio en el que interviene la termodinmica.1-2IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNIDADESFIGURA 1-3 El calor fluye en direccin de la temperatura decreciente.Colectores solaresRegadera Agua caliente Depsito de agua caliente Agua fra Intercambiador Bomba de calorFIGURA 1-4 El diseo de muchos sistemas de ingeniera, como este sistema solar para calentar agua, tiene que ver con la termodinmica.Cualquier cantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitudes asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones bsicas, como masa m, longitud L, tiempo t y temperatura T se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energa E y volumen V se expresan en trminos de las dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas.01Chapter_01 ITALICAS.indd 37/12/11 15:30:08 30. 4INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOSSistemas de refrigeracinBarcosAeronave y nave espacialThe McGraw-Hill Companies, Inc/fotografa de Jill Braaten Vol. 5/Photo-Disc/Getty RF Vol. 1/Photo-Disc/Getty RFPlantas elctricasCuerpo humanoAutomvilesVol. 57/Photo-Disc/Getty RFVol. 110/Photo-Disc/Getty RFFoto de John M. CimbalaTurbinas de vientoSistemas de aire acondicionadoAplicaciones industrialesVol. 17/Photo-Disc/Getty RFThe McGraw-Hill Companies, Inc./Foto de Jill BraatenCortesa de UMDE Engineering, Contracting and Trading. Uso autorizado.FIGURA 1-5 Algunas reas de aplicacin de la termodinmica.Con el paso de los aos se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes esfuerzos que la comunidad cientfica y los ingenieros han hecho para unificar el mundo con un solo sistema de unidades, en la actualidad an son de uso comn dos de stos: el sistema ingls, que se conoce como United States Customary System (USCS) y el SI mtrico (de Le Systme International d Units), tambin llamado sistema internacional. El SI es un sistema simple y lgico basado en una relacin decimal entre las distintas unidades, y se usa para trabajo cientfico y de ingeniera en la mayor parte de las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra. Sin embargo, el sistema ingls no tiene base numrica sistemtica evidente y varias unidades de este sistema se relacionan entre s de manera bastante arbitraria (12 pulgadas 1 pie, 1 milla 5 280 pies, 4 cuartos 1 galn, etc.), lo cual hace que el aprendizaje sea confuso y difcil. Estados Unidos es el nico pas industrializado que an no adopta por completo el sistema mtrico. Los esfuerzos sistemticos para desarrollar un sistema de unidades universal aceptable datan de 1790 cuando la Asamblea Nacional Francesa encarg01Chapter_01 ITALICAS.indd 47/12/11 15:30:09 31. 5CAPTULO 1a la academia francesa de ciencias que sugiriera dicho sistema de unidades. Pronto se elabor en Francia una primera versin del sistema mtrico, pero no encontr aceptacin universal hasta 1875 cuando 17 pases, incluido Estados Unidos, prepararon y firmaron el Tratado de Convencin Mtrica. En este acuerdo internacional se establecieron metro y gramo como las unidades mtricas para longitud y masa, respectivamente, adems de establecerse que una Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) se reuniera cada seis aos. En 1960, la CGPM produjo el SI, el cual se basa en seis cantidades fundamentales, cuyas unidades se adoptaron en 1954 en la Dcima Conferencia General de Pesos y Medidas: metro (m) para longitud, kilogramo (kg) para masa, segundo (s) para tiempo, ampere (A) para corriente elctrica, grado Kelvin (K) para temperatura y candela (cd) para intensidad luminosa (cantidad de luz). En 1971, la CGPM aadi una sptima cantidad y unidad fundamental: mol (mol) para la cantidad de materia. Con base en el esquema de notacin introducido en 1967, el smbolo de grado se elimin en forma oficial de la unidad de temperatura absoluta, y todos los nombres de unidades se escribiran con minscula incluso si se derivaban de nombres propios (tabla 1-1). Sin embargo, la abreviatura de una unidad se escribira con mayscula si la unidad provena de un nombre propio. Por ejemplo, la unidad SI de fuerza, nombrada en honor a sir Isaac Newton (1647-1723), es el newton (no Newton), y se abrevia como N. Asimismo, es posible pluralizar el nombre completo de una unidad, no as su abreviatura. Por ejemplo, la longitud de un objeto puede ser 5 m o 5 metros, no 5 ms o 5 metro. Por ltimo, no se usar punto en abreviaturas de unidades a menos que aparezcan al final de un enunciado. Por ejemplo, la abreviatura apropiada de metro es m (no m.). En Estados Unidos, el reciente cambio hacia el sistema mtrico empez en 1968 cuando el Congreso, en respuesta a lo que estaba sucediendo en el resto del mundo, aprob un Decreto de estudio mtrico. El Congreso continu con este impulso hacia un cambio voluntario al sistema mtrico al aprobar el Decreto de conversin mtrica en 1975. Una ley comercial aprobada en 1988 fij el mes de septiembre de 1992 como plazo para que todas las agencias federales pasaran al sistema mtrico. Sin embargo, los plazos se relajaron sin establecer planes claros para el futuro. Las industrias con una participacin intensa en el comercio internacional (como la automotriz, la de bebidas carbonatadas y la de licores) se han apresurado en pasar al sistema mtrico por razones econmicas (tener un solo diseo mundial, menos tamaos e inventarios ms pequeos, etc.). En la actualidad, casi todos los automviles fabricados en Estados Unidos obedecen al sistema mtrico. Es probable que la mayor parte de los dueos de automviles no se percaten hasta que utilicen una llave con medida en pulgadas sobre un tornillo mtrico. No obstante, la mayor parte de las industrias se resisten al cambio, lo cual retrasa el proceso de conversin. En la actualidad, Estados Unidos es una sociedad con doble sistema y permanecer as hasta que se complete la transicin al sistema mtrico. Esto agrega una carga extra a los actuales estudiantes de ingeniera, puesto que se espera que retengan su comprensin del sistema ingls mientras aprenden, piensan y trabajan en trminos del SI. Dada la posicin de los ingenieros en el periodo de transicin, en este libro se usan ambos sistemas de unidades, con especial nfasis en las unidades SI. Como se seal, el SI se basa en una relacin decimal entre unidades. Los prefijos usados para expresar los mltiplos de las distintas unidades se enumeran en la tabla 1-2, se usan como estndar para todas stas y se alienta al estudiante a memorizarlos debido a su uso extendido (Fig. 1-6).01Chapter_01 ITALICAS.indd 5TABLA 1-1 Las siete dimensiones fundamentales (o primarias) y sus unidades en el SI DimensinUnidadLongitud Masa Tiempo Temperatura Corriente elctrica Cantidad luminosa Cantidad de materiametro (m) kilogramo (kg) segundo (s) kelvin (K) ampere (A) candela (cd) mol (mol)TABLA 1-2 Prefijos estndar en unidades SI MltiplosPrefijo1024 1021 1018 1015 1012 109 106 103 102 101 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024yotta, Y zetta, Z exa, E peta, P tera, T giga, G mega, M kilo, k hecto, h deca, da deci, d centi, c mili, m micro, m nano, n pico, p femto, f atto, a zepto, z yocto, y7/12/11 15:30:13 32. 6INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOSFIGURA 1-6 Los prefijos de las unidades SI se usan en todas las ramas de la ingeniera. 200 mL (0.2 L)1 M1 kg (103 g)(106 )Algunas unidades SI e inglesasm = 1 kga = 1 m/s2F=1Na = 1 pie/s2m = 32.174 lbmF = 1 lbfEn el SI, las unidades de masa, longitud y tiempo son kilogramo (kg), metro (m) y segundo (s), respectivamente. Las unidades correspondientes en el sistema ingls son libra-masa (lbm), pie (ft) y segundo (s). El smbolo de libra lb es en realidad la abreviatura de libra, la cual era en la antigua Roma la unidad adaptada para expresar el peso. El sistema ingls mantuvo este smbolo incluso despus de haber finalizado la ocupacin romana de Bretaa en el ao 410. Las unidades de masa y longitud en los dos sistemas se relacionan entre s mediante 1 lbmFIGURA 1-71 pieDefinicin de unidades de fuerza.Fuerza (masa)(aceleracin)10 manzanas m = 1 kg1N0.3048 mEn el sistema ingls, la fuerza es considerada comnmente como una de las dimensiones primarias y se le asigna una unidad no derivada. Esto es una fuente de confusin y error que requiere el uso de una constante dimensional (gc) en muchas frmulas. Para evitar esta molestia, se considera a la fuerza como una dimensin secundaria cuya unidad se deriva de la segunda ley de Newton, es decir,1 kgf1 manzana m = 102 g0.45359 kgo 4 manzanas m = 1 lbm1 lbfF1 lbfMagnitudes relativas de las unidades de fuerza newton (N), kilogramo-fuerza (kgf) y libra fuerza (lbf).(1-1)En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kg a razn de 1 m/s2. En el sistema ingls, la unidad de fuerza es la libra-fuerza (lbf) y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 32.174 lbm (1 slug) a razn de 1 pie/s2 (Fig. 1-7). Es decir, 1NFIGURA 1-8ma1 kg # m>s2 32.174 lbm # pie>sUna fuerza de 1 N equivale aproximadamente al peso de una manzana pequea (m 102 g), mientras que una fuerza de 1 lbf es equivalente a ms o menos el peso de cuatro manzanas medianas (mtotal 454 g), como se ilustra en la figura 1-8. Otra unidad de fuerza de uso comn en muchos pases europeos es el kilogramo-fuerza (kgf), que es el peso de 1 kg de masa al nivel del mar (1 kgf 9.807 N). El trmino peso con frecuencia se usa de modo incorrecto para expresar masa, en particular por los weight watchers. A diferencia de la masa, el peso W es una fuerza: la fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo, y su magnitud se determina a partir de la segunda ley de Newton, Wmg1N 2(1-2)donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleracin gravitacional local (g es 9.807 m/s2 o 32.174 pie/s2 al nivel del mar y latitud 45). Una bscula de bao01Chapter_01 ITALICAS.indd 67/12/11 15:30:13 33. 7CAPTULO 1ordinaria mide la fuerza gravitacional que acta sobre un cuerpo. El peso del volumen unitario de una sustancia se llama peso especfico g y se determina a partir de g rg, donde r es la densidad. La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicacin en el universo; sin embargo, su peso se modifica con un cambio en la aceleracin gravitacional. Un cuerpo pesa menos en la cima de una montaa puesto que g disminuye con la altitud. En la superficie de la Luna, una astronauta pesa alrededor de un sexto de lo que pesa en la Tierra (Fig. 1-9). Al nivel del mar una masa de 1 kg pesa 9.807 N, como se ilustra en la figura 1-10; no obstante, una masa de 1 lbm pesa 1 lbf, lo que lleva a las personas a creer que libra-masa y libra-fuerza se pueden usar de forma indistinta como libra (lb), lo cual es una fuente principal de errores en el sistema ingls. Se debe observar que la fuerza de gravedad que acta sobre una masa se debe a la atraccin entre las masas y, por lo tanto, es proporcional a las magnitudes de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Por consiguiente, la aceleracin gravitacional g en un lugar depende de la densidad local de la corteza terrestre, la distancia al centro de la Tierra y, en un menor grado, de las posiciones de la Luna y el Sol. El valor de g vara con la ubicacin desde 9.832 m/s2 en los polos (9.789 en el ecuador) hasta 7.322 m/s2 a 1 000 km sobre el nivel del mar. Sin embargo, a altitudes de hasta 30 km, la variacin de g del valor a nivel del mar de 9.807 m/s2 es menor a 1 por ciento. Entonces, para la mayor parte de los propsitos prcticos, la aceleracin gravitacional se supone como constante en 9.81 m/s2. Es interesante notar que en lugares situados bajo el nivel del mar el valor de g se incrementa con la distancia desde el nivel del mar, alcanza un mximo prximo a los 4 500 m y luego empieza a disminuir. (Cul cree que es el valor de g en el centro de la Tierra?) La principal causa que provoca la confusin entre masa y peso es que la masa se mide generalmente de modo indirecto al calcular la fuerza de gravedad que ejerce. Con este enfoque se supone tambin que las fuerzas ejercidas causadas por otros efectos como la flotabilidad en el aire y el movimiento del fluido son insignificantes. Esto es como medir la distancia a una estrella midiendo su transicin hacia el color rojo o determinar la altitud de un aeroplano por medio de la presin baromtrica: ambas son mediciones indirectas. La forma correcta directa de medir la masa es compararla con otra conocida. Sin embargo, esto es difcil y se usa sobre todo para calibracin y medicin de metales preciosos. El trabajo, que es una forma de energa, se puede definir simplemente como la fuerza multiplicada por la distancia; por lo tanto, tiene la unidad newtonmetro (N m), llamado joule (J). Es decir, 1J1N#mFIGURA 1-9 Un cuerpo que en la Tierra pesa 150 lbf pesar slo 25 lbf en la Luna.kg g = 9.807 m/s2 W = 9.807 kg m/s2 = 9.807 N = 1 kgflbmg = 32.174 ft/s2 W = 32.174 lbm ft/s2 = 1 lbfFIGURA 1-10 El peso de una masa unitaria al nivel del mar.(1-3)Una unidad ms comn para la energa en el SI es el kilojoule (1 kJ 103 J). En el sistema ingls, la unidad de energa es el Btu (British thermal unit), que se define como la energa requerida para elevar en 1 F la temperatura de 1 lbm de agua a 68 F. En el sistema mtrico, la cantidad de energa necesaria para elevar en 1 C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 C se define como 1 calora (cal), y 1 cal 4.1868 J. Las magnitudes de kilojoule y Btu son casi idnticas (1 Btu 1.0551 kJ). Hay una buena manera de apreciar intuitivamente estas unidades: si enciende un fsforo y lo deja consumir, produce aproximadamente un Btu (o un kJ) de energa (Fig. 1-11). La unidad para la razn de tiempo de energa es el joule por segundo (J/s) que se conoce como watt (W). En el caso de trabajo la razn de tiempo de energa se llama potencia. Una unidad de potencia comnmente usada es el caballo de fuerza (hp), que es equivalente a 746 W. La energa elctrica se expresa01Chapter_01 ITALICAS.indd 7Caramba!FIGURA 1-11 Un fsforo tpico produce alrededor de un Btu (o un kJ) de energa si se quema por completo. Foto de John M. Cimbala.7/12/11 15:30:13 34. 8INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOStpicamente en la unidad kilowatt-hora (kWh), que es equivalente a 3 600 kJ. Un aparato elctrico con una potencia nominal de 1 kW consume 1 kWh de electricidad cuando trabaja continuamente durante una hora. Cuando se habla de generacin de potencia elctrica, con frecuencia se confunden las unidades kW y kWh. Observe que kW o kJ/s es una unidad de potencia, mientras que kWh es una unidad de energa. Por lo tanto, frases como la nueva turbina de viento generar 50 kW de electricidad por ao no tienen sentido y son incorrectas. Una expresin correcta sera algo as como la nueva turbina de viento, con una potencia nominal de 50 kW, generar 120 000 kWh de electricidad por ao.Homogeneidad dimensionalFIGURA 1-12 Para lograr la homogeneidad dimensional de una ecuacin, todos los trminos deben tener las mismas unidades. Reimpreso con autorizacin especial de King Features Syndicate.En la escuela primaria se aprende que manzanas y naranjas no se suman, pero de algn modo uno se las arregla para hacerlo (por error, por supuesto). En ingeniera, las ecuaciones deben ser dimensionalmente homogneas. Es decir, cada trmino de una ecuacin debe tener la misma unidad (Fig. 1-12). Si en alguna etapa de un anlisis se est en posicin de sumar dos cantidades que tienen unidades distintas, es una indicacin clara de que se ha cometido un error en una etapa anterior. As que comprobar las dimensiones puede servir como una herramienta valiosa para detectar errores. EJEMPLO 1-1Generacin de potencia elctrica mediante una turbina elicaUna escuela paga $0.09/kWh. Para reducir sus costos de energa, la escuela instala una turbina de viento (Fig. 1-13) con una potencia nominal de 30 kW. Si la turbina trabaja 2 200 horas por ao a su potencia nominal, determine la cantidad de energa elctrica generada por la turbina y el dinero que ahorra la escuela por ao.Solucin Se instala una turbina de viento (aerogenerador) para generar electricidad. Se deben determinar la cantidad de energa elctrica que se genera y el dinero que se ahorra por ao. Anlisis La turbina de viento genera energa elctrica a razn de 30 kW, o 30 kJ/s. Entonces, la cantidad total de energa elctrica generada por ao es:Energa total = (Energa por unidad de tiempo)(Intervalo de tiempo) = (30 kW)(2 200 h) = 66 000 kWh La cantidad que se ahorra por ao es el valor monetario de esta energa determinada como:Dinero ahorrado = (Energa total)(costo unitario de energa) = (66 000 kWh)($0.09/kWh) = $5 940 Comentario La produccin anual de energa elctrica tambin se podra determinar en kJ mediante manipulacin de las unidades, comoEnerga total3 600 s 1 kJ/s 130 kW2 1 2 200 h2 a ba b 1h 1 kW2.38 108 kJque es equivalente a 66 000 kWh (1 kWh = 3 600 kJ).FIGURA 1-13 Una turbina de viento como la del ejemplo 1-1. Cortesa de Steve Stadler, Oklahoma, Wind Power Initiative.01Chapter_01 ITALICAS.indd 8Se sabe por experiencia que las unidades pueden causar terribles dolores de cabeza si no se usan con cuidado al resolver un problema. Sin embargo, con cierta atencin y habilidad las unidades se pueden usar de modo provechoso. Sirven para comprobar frmulas e incluso se pueden usar para deducir frmulas, como se explica en el siguiente ejemplo.7/12/11 15:30:14 35. 9CAPTULO 1EJEMPLO 1-2Obtencin de frmulas a partir de consideraciones de unidadesAceiteSe llena un depsito con aceite cuya densidad es r 850 Si el volumen del depsito es V 2 m3, determine la cantidad de masa m en el depsito. kg/m3.V = 2 m3 r = 850 kg/m3 m=?Solucin Se tiene el volumen del depsito y se va a determinar la masa del aceite. Suposiciones El aceite es una sustancia no compresible y, por lo tanto, su densidad es constante. Anlisis Un bosquejo del sistema descrito se presenta en la figura 1-14. Suponga que olvida la frmula que relaciona la masa con la densidad y el volumen; sin embargo, se sabe que la unidad de la masa es el kilogramo. Es decir, sin importar los clculos que se realicen se debe obtener al final la unidad de kilogramos. Entendiendo mejor la informacin proporcionada, se tiener 850 kg>m3 yV 2 m3Es evidente que se puede eliminar m3 y finalizar con kg al multiplicar estas dos cantidades. Por lo tanto, la frmula que se busca debe sermFIGURA 1-14 Esquema para el ejemplo 1-2.CUIDADO! TODOS LOS TRMINOS DE UNA ECUACIN DEBEN TENER LAS MISMAS UNIDADESrVAs,m 1850 kg>m3 2 12 m3 2 1 700 kg Comentario Observe que existe la posibilidad de que este enfoque no funcione para frmulas ms complejas. Las frmulas constantes no dimensionales pueden estar presentes tambin, y stas no se pueden deducir slo por consideraciones de unidades.Es importante recordar que una frmula que no es dimensionalmente homognea es definitivamente errnea (Fig. 1-15), pero una frmula con homogeneidad dimensional no necesariamente es correcta.FIGURA 1-15 Siempre verifique las unidades en sus clculos.Relaciones de conversin de unidades As como es posible formar dimensiones no primarias mediante combinaciones adecuadas de dimensiones primarias, todas las unidades no primarias (unidades secundarias) se forman a travs de combinaciones de unidades primarias. Las unidades de fuerza, por ejemplo, es posible expresarlas como N kgm pie y lbf 32.174 lbm 2 s2 sAsimismo, se pueden expresar de modo ms conveniente como relaciones de conversin de unidades como N lbf # m>s2 1 y 32.174 lbm # pie>s2 1 kgLas relaciones de conversin de unidades son iguales a 1 y no tienen unidades; por lo tanto, tales relaciones (o sus inversos) se pueden insertar de forma conveniente en cualquier clculo para convertir unidades de manera adecuada (Fig. 1-16). Se recomienda a los estudiantes que siempre usen relaciones de conversin de unidades. Algunos libros incluyen en las ecuaciones la constante gravitacional arcaica gc definida como gc 32.174 lbm pie/lbf s2 kg m/N s2 1 con la finalidad de que concuerden las unidades de fuerza. Esta prctica produce una confusin innecesaria y los autores de este libro consideran que no es aconsejable. En cambio, se recomienda que los estudiantes usen relaciones de conversin de unidades.01Chapter_01 ITALICAS.indd 932.174 lbm ft/s2 1 kg m/s2 1 lbf 1N 1W 1 kJ 1 kPa 1 J/s 1 000 N m 1 000 N/m2 0.3048 m 1 ft1 min 60 s1 lbm 0.45359 kgFIGURA 1-16 Toda relacin de conversin unitaria (as como su inverso) es exactamente igual a uno. Aqu se muestran unas pocas relaciones de conversin unitarias que se usan comnmente. Cortesa de Steve Stadler, Oklahoma, Wind Power Initiative. Uso autorizado.7/12/11 15:30:14 36. 10INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOSEJEMPLO 1-3El peso de una libra-masaPor medio de las relaciones de conversin de unidades, muestre que 1.00 lbm pesa 1.00 lbf en la Tierra (Fig. 1-17).Solucin Una masa de 1.00 lbm se somete a la gravedad terrestre estndar. Se determinar su peso en lbf. Suposiciones Se consideran condiciones estndar al nivel del mar. Propiedades La constante gravitacional es g 32.174 pie/s2. Anlisis Se aplica la segunda ley de Newton para calcular el peso (fuerza) que corresponde a la masa y aceleracin conocidas. El peso de cualquier objeto es igual a su masa multiplicada por el valor local de la aceleracin debida a la gravedad. As,FIGURA 1-17 En la Tierra, una masa de 1 lbm pesa 1 lbf.Wmg11.00 lbm2 132.174 pie>s2 2 a1 lbf b 32.174 lbm # pie>s21.00 lbfExplicacin La cantidad dentro del parntesis grande de esta ecuacin es una relacin de conversin unitaria. La masa es la misma sin importar su ubicacin. Sin embargo, en algn otro planeta cuyo valor de la aceleracin gravitacional es diferente, el peso de 1 lbm diferira del valor calculado aqu. Peso neto: una libra (454 g)Cuando se compra una caja de cereal en la impresin se lee Peso neto: una libra (454 gramos) (Fig. 1-18). En trminos tcnicos, esto significa que el cereal dentro de la caja pesa 1.00 lbf en la Tierra y tiene una masa de 453.6 g (0.4536 kg). Usando la segunda ley de Newton, el peso real del cereal en el sistema mtrico es W mg 1453.6 g 2 19.81 m>s2 2 a1-3FIGURA 1-18 Una peculiaridad del sistema mtrico de unidades.ALREDEDORESSISTEMAFRONTERAFIGURA 1-19 Sistema, alrededores y frontera.01Chapter_01 ITALICAS.indd 101 kg 1N # m>s2 b a 1 000 g b 4.49 N 1 kgSISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOSUn sistema se define como una cantidad de materia o una regin en el espacio elegida para anlisis. La masa o regin fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores se llama frontera (Fig. 1-19). La frontera de un sistema puede ser fija o mvil. Note que la frontera es la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores. En trminos matemticos, la frontera tiene espesor cero y, por lo tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio. Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Un sistema cerrado (conocido tambin como una masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Es decir, ninguna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado, como se ilustra en la figura 1-20. Pero la energa, en forma de calor o trabajo puede cruzar la frontera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo. Si, como caso especial, incluso se impide que la energa cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado. Considrese el dispositivo de cilindro-mbolo mostrado en la figura 1-21. Suponga que se desea saber qu pasa con el gas encerrado cuando se calienta. Puesto que el inters se centra en el gas, ste es el sistema. Las superficies internas del mbolo y el cilindro forman la frontera, y como ninguna masa la cruza, se trata de un sistema cerrado. La energa puede cruzar la frontera y parte de la frontera (la superficie interna del mbolo, en este caso) se puede7/12/11 15:30:15 37. 11CAPTULO 1mover. Todo lo que se halla fuera del gas, incluso el mbolo y el cilindro, son los alrededores. Un sistema abierto, o un volumen de control, como suele llamarse, es una regin elegida apropiadamente en el espacio. Generalmente encierra un dispositivo que tiene que ver con flujo msico, como un compresor, turbina o tobera. El flujo por estos dispositivos se estudia mejor si se selecciona la regin dentro del dispositivo como el volumen de control. Tanto la masa como la energa pueden cruzar la frontera de un volumen de control. Un gran nmero de problemas de ingeniera tiene que ver con flujo de masa dentro y fuera de un sistema y, por lo tanto, se modelan como volmenes de control. Un calentador de agua, un radiador de automvil, una turbina y un compresor se relacionan con el flujo de masa y se deben analizar como volmenes de control (sistemas abiertos) en lugar de como masas de control (sistemas cerrados). En general, cualquier regin arbitraria en el espacio se puede seleccionar como volumen de control; no hay reglas concretas para esta seleccin, pero una que sea apropiada hace ms fcil el anlisis. Por ejemplo, si se necesitara analizar el flujo de aire por una tobera, una buena eleccin para el volumen de control sera la regin dentro de la tobera. Las fronteras de un volumen de control se conocen como superficie de control, y pueden ser reales o imaginarias. En el caso de una tobera, la superficie interna de sta constituye la parte real de la frontera, mientras que las reas de entrada y salida forman la parte imaginaria, puesto que all no hay superficies fsicas (Fig. 1-22). Un volumen de control puede ser fijo en tamao y forma, como en el caso de una tobera, o bien podra implicar una frontera mvil, como se ilustra en la figura 1-22 b). Sin embargo, la mayor parte de los volmenes de control tienen fronteras fijas y, por lo tanto, no involucran fronteras mviles. Al igual que en un sistema cerrado, en un volumen de control tambin puede haber interacciones de calor y trabajo, adems de interaccin de masa. Considere el calentador de agua mostrado en la figura 1-23 como ejemplo de un sistema abierto y suponga que se quiere determinar cunto calor debe transferirse al agua dentro del recipiente con la finalidad de proveer un flujo estacionario de agua caliente. Puesto que el agua caliente saldr del recipiente y ser reemplazada por agua fra, no es conveniente elegir una masa fija como sistema para el anlisis. En cambio, se centra la atencin en el volumen que se forma por las superficies interiores del recipiente y se considera a los flujos de agua caliente y fra como la masa que sale y entra al Frontera imaginariaMasaSistema cerradoNOm = constante Energa SFIGURA 1-20 La masa no puede cruzar las fronteras de un sistema cerrado, pero la energa s. Frontera mvil Gas 2 kg 1.5 m3Gas 2 kg 1 m3Frontera fijaFIGURA 1-21 Un sistema cerrado con una frontera mvil.Salida de agua calienteSuperficie de controlCalentador de aguaFrontera real (volumen de control)VC (una tobera)Entrada de agua fraFrontera mvil VC Frontera fijaa) Un volumen de control con fronteras real e imaginariab) Un volumen de control con fronteras fija y mvilFIGURA 1-23 FIGURA 1-22 Un volumen de control puede tener fronteras fijas, mviles, reales o imaginarias.01Chapter_01 ITALICAS.indd 11Un sistema abierto (o volumen de control) con una entrada y una salida.7/12/11 15:30:16 38. 12INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOSvolumen de control. En este caso, las paredes interiores del recipiente forman la superficie de control la cual es cruzada en dos lugares por la masa. En un anlisis de ingeniera, el sistema bajo estudio se debe definir con cuidado. En la mayor parte de los casos, el sistema analizado es bastante simple y obvio, y definirlo podra parecer una tarea tediosa e innecesaria. Sin embargo, en otros casos el sistema bajo anlisis podra ser bastante complejo, de modo que su apropiada eleccin puede simplificar en gran medida el anlisis.1-4 m V T P 1 m 2 1 V 2 T P 1 m 2 1 V 2 T P Propiedades extensivas Propiedades intensivasFIGURA 1-24 Criterio para diferenciar propiedades intensivas y extensivas.PROPIEDADES DE UN SISTEMACualquier caracterstica de un sistema se llama propiedad. Algunas propiedades muy familiares son presin P, temperatura T, volumen V y masa m. La lista se puede ampliar para incluir propiedades menos familiares como viscosidad, conductividad trmica, mdulo de elasticidad, coeficiente de expansin trmica, resistividad elctrica e incluso velocidad y elevacin. Se considera que las propiedades son intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, como temperatura, presin y densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cuyos valores dependen del tamao o extensin del sistema. La masa total, volumen total y cantidad de movimiento total son algunos ejemplos de propiedades extensivas. Una forma fcil de determinar si una propiedad es intensiva o extensiva es dividir el sistema en dos partes iguales mediante una particin imaginaria, como se ilustra en la figura 1-24; cada parte tendr el mismo valor de propiedades intensivas que el sistema original, pero la mitad del valor de las propiedades extensivas. Comnmente, las letras maysculas se usan para denotar propiedades extensivas (con la importante excepcin de la masa m) y las minsculas para las intensivas (con las excepciones obvias de la presin P y la temperatura T). Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades especficas. Algunos ejemplos de stas son el volumen especfico (v V/m) y la energa total especfica (e E/m).Continuo O21 atm, 20 C3 1016 molculas/mm3HUECOFIGURA 1-25 A pesar de los grandes espacios entre molculas, una sustancia puede ser tratada como un continuo, como resultado de la gran cantidad de molculas, incluso en un volumen extremadamente pequeo.01Chapter_01 ITALICAS.indd 12La materia est constituida por tomos que estn igualmente espaciados en la fase gas. Sin embargo, es muy conveniente no tomar en cuenta la naturaleza atmica de una sustancia y considerarla como materia continua, homognea y sin ningn hueco, es decir, un continuo. La idealizacin de continuo permite tratar a las propiedades como funciones puntuales y suponer que varan en forma continua en el espacio sin saltos discontinuos. Esta idealizacin es vlida siempre y cuando el tamao del sistema analizado sea grande en relacin con el espacio entre molculas. ste es el caso en casi todos los problemas a excepcin de algunos especializados. La idealizacin del continuo est implcita en muchos enunciados, como la densidad del agua en un vaso es la misma en cualquier punto. Para tener una idea de la distancia que hay a nivel molecular, considere un recipiente lleno de oxgeno en condiciones atmosfricas. El dimetro de la molcula de oxgeno es de alrededor de 3 1010 m y su masa es de 5.3 1026 kg. Asimismo, la trayectoria libre media del oxgeno a una presin de 1 atm y 20 C es 6.3 108 m. Es decir, una molcula de oxgeno viaja, en promedio, una distancia de 6.3 108 m (unas 200 veces su dimetro) antes de chocar c