Termodinamica- Cengel

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DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS

Aceleracin 1 m/s2 100 cm/s2 1 m/s2 3.2808 ft/s2

1 ft/s2 0.3048* m/s2

rea 1 m2 104 cm2 106 mm2 106 km2 1 m2 1550 in2 10.764 ft2

1 ft2 144 in2 0.09290304* m2

Densidad 1 g/cm3 1 kg/L 1000 kg/m3 1 g/cm3 62.428 lbm/ft3 0.036127 lbm/in3

1 lbm/in3 1728 lbm/ft3

1 kg/m3 0.062428 lbm/ft3

Energa, calor, trabajo, 1 kJ 1000 J 1000 N m 1 kPa m3 1 kJ 0.94782 Btuenerga interna, 1 kJ/kg 1000 m2/s2 1 Btu 1.055056 kJentalpa 1 kWh 3600 kJ 5.40395 psia ft3 778.169 lbf ft

1 cal 4.184 J 1 Btu/lbm 25,037 ft2/s2 2.326* kJ/kg1 IT cal 4.1868 J 1 kJ/kg 0.430 Btu/lbm1 Cal 4.1868 kJ 1 kWh 3412.14 Btu

1 termia 105 Btu 1.055 105 kJ (gas natural)

Fuerza 1 N 1 kg m/s2 105 dina 1 N 0.22481 lbf1 kgf 9.80665 N 1 lbf 32.174 lbm ft/s2 4.44822 N

Flujo de calor 1 W/cm2 104 W/m2 1 W/m2 0.3171 Btu/h ft2

Coeficiente de trans- 1 W/m2 C 1 W/m2 K 1 W/m2 C 0.17612 Btu/h ft2 Fferencia de calor

Longitud 1 m 100 cm 1000 mm 106 mm 1 m 39.370 in 3.2808 ft 1.0926 yd1 km 1000 m 1 ft 12 in 0.3048* m

1 milla 5280 ft 1.6093 km1 in 2.54* cm

Masa 1 kg 1000 g 1 kg 2.2046226 lbm1 tonelada mtrica 1000 kg 1 lbm 0.45359237* kg

1 onza 28.3495 g1 slug 32.174 lbm 14.5939 kg1 ton corta 2000 lbm 907.1847 kg

Potencia, velocidad 1 W 1 J/s 1 kW 3412.14 Btu/hde transferencia 1 kW 1000 W 1.341 hp 737.56 lbf ft/sde calor 1 hp 745.7 W 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/h1 Btu/h 1.055056 kJ/h1 ton de refrigeracin 200 Btu/min

Presin 1 Pa 1 N/m2 1 Pa 1.4504 104 psia1 kPa 103 Pa 103 MPa 0.020886 lbf/ft2

1 atm 101.325 kPa 1.01325 bars 1 psi 144 lbf/ft2 6.894757 kPa 760 mm Hg a 0C 1 atm 14.696 psia 29.92 in Hg a 30F 1.03323 kgf/cm2 1 in Hg 3.387 kPa

1 mm Hg 0.1333 kPa

Calor especfico 1 kJ/kg C 1 kJ/kg K 1 J/g C 1 Btu/lbm F 4.1868 kJ/kg C1 Btu/lbmol R 4.1868 kJ/kmol K1 kJ/kg C 0.23885 Btu/lbm F

0.23885 Btu/lbm R

* Factores de conversin exactos entre las unidades mtricas e inglesas.La calora 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 calorespecfico del agua a 15C. La calora termoqumica, por lo general preferida por los fsicos, es exactamente 4.184 J por definicin y corresponde al calorespecfico del agua a temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es aproximadamente 0.06 por ciento, lo cual es despreciable. La Calora con inicialmayscula utilizada por los nutrilogos en realidad es una kilocalora (1000 caloras IT).

Factores de conversin

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DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS

Volumen especfico 1 m3/kg 1000 L/kg 1000 cm3/g 1 m3/kg 16.02 ft3/lbm1 ft3/lbm 0.062428 m3/kg

Temperatura T(K) T(C) 273.15 T(R) T(F) 459.67 1.8T(K)T(K) T(C) T(F) 1.8 T(C) 32

T(F) T(R) 1.8 T(K)

Conductividad 1 W/m C 1 W/m K 1 W/m C 0.57782 Btu/h ft Ftrmica

Velocidad 1 m/s 3.60 km/h 1 m/s 3.2808 ft/s 2.237 mi/h1 mi/h 1.46667 ft/s1 mi/h 1.6093 km/h

Volumen 1 m3 1000 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 L1 fl onza 29.5735 cm3 0.0295735 L1 U.S. galn 128 fl onzas

1 m3/s 60,000 L/min 106 cm3/s 1 m3/s 15,850 gal/min (gpm) 35.315 ft3/s 2118.9 ft3/min (cfm)

Caballo de fuerza mecnico. El caballo de vapor elctrico se toma para que sea exactamente igual a 746 W.

Algunas constantes fsicasConstante universal de los gases Ru 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 1545.37 ft lbf/lbmol R 10.73 psia ft3/lbmol R

Aceleracin de la gravedad estndar g 9.80665 m/s2

32.174 ft/s2

Presin atmosfrica estndar 1 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 R4

Constante de Boltzmann k 1.380650 1023 J/K

Velocidad de la luz en el vaco co 2.9979 108 m/s 9.836 108 ft/s

Velocidad del sonido en aire seco a 0C y 1 atm c 331.36 m/s 1089 ft/s

Calor de fusin del agua a 1 atm hif 333.7 kJ/kg 143.5 Btu/lbm

Entalpa de vaporizacin del agua a 1 atm hfg 2256.5 kJ/kg 970.12 Btu/lbm

Tasa de flujovolumtrico

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TERMODINMICA

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TERMODINMICASEXTA EDICIN

YUNUS A. ENGELUniversity of Nevada, Reno

MICHAEL A. BOLESNorth Carolina State University

Revisin tcnica

Sofa Faddeeva SknarinaInstituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey,

Campus Estado de Mxico

MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALALISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO

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Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo A. del Bosque AlaynCoordinadora editorial: Marcela I. Rocha MartnezEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezEditora de desarrollo: Ana L. Delgado RodrguezSupervisor de produccin: Zeferino Garca GarcaTraduccin: Virgilio Gonzlez y Pozo / Sergio M. Sarmiento

TERMODINMICASexta edicin

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS 2009 respecto a la sexta edicin en espaol porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre APiso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D.F.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736

ISBN 978-970-10-7286-8(ISBN 970-10-5611-6 edicin anterior)

Traducido de la sexta edicin de: Thermodynamics. An Engineering Approach. Copyright 1989, 1994, 1998, 2002,2006, and 2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN 978-0-07-352921-9

1234567890 08765432109

Impreso en Mxico Printed in Mexico

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No hay nada ms horroroso que la ignorancia en accin.Goethe

La sociedad que desprecia la excelencia de la plomera por ser una actividadhumilde y tolera la falsedad de la filosofa porque es una actividad excelsa,

no poseer una buena plomera ni una buena filosofa. Ni sus tuberas ni sus teoras conservarn el agua.

John Gardner

La integridad sin conocimiento es dbil e intil, mientras que el conocimiento sin integridad es peligroso y horrible.

Samuel Jackson

La preocupacin por el hombre y su destino siempre debe ser el inters primordial de todo esfuerzo tcnico.

Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones.Albert Einstein

La semejanza mutua es origen de la contradiccin; la congruencia es la base de la solidaridad; la pequeez de carcter es la fuente de la arrogancia;

la debilidad es la fuente del orgullo; la impotencia es el origen de la oposicin, y la curiosidad es el maestro del conocimiento.

Said Nursi

Todo el arte de la enseanza est despertando la curiosidad natural de las mentes jvenes.

Anatole France

Un gran maestro es aquel cuyo espritu entra en las almas de sus alumnos.John Milton

Nadie lo sabr, excepto t. Sin embargo, debes vivir contigo mismo y siempre es mejor vivir con alguien que respetes,

ya que el respeto engendra confianza.Jerome Weidman

Un hbito es como un cable, tejemos un hilo de l todos los das y al final no podemos romperlo.

Horace Mann

El genio es el uno por ciento inspiracin y noventa y nueve por ciento transpiracin.

Thomas A. Edison

Aquel que deja de ser mejor, deja de ser bueno.Oliver Cromwell

Cuando llamas misteriosa a una cosa significa que no la has comprendido.

Lord Kelvin

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ACERCA DE LOS AUTORES

x |

Yunus A. engel es Profesor Emrito de Ingeniera Mecnica en Univer-sity of Nevada, Reno. Obtuvo su licenciatura en ingeniera mecnica en Istan-bul Technical University, y su maestra y doctorado en ingeniera mecnicaen la North Carolina State University. Sus reas de investigacin son energasrenovables, desalacin, anlisis de exerga y energa y conservacin. Fuedirector del Industrial Assessment Center de University of Nevada, de 1996 a2000. Ha presidido grupos de estudiantes de ingeniera en numerosas instala-ciones manufactureras del norte de Nevada y de California, donde hizo evalu-aciones industriales, y prepar informes de conservacin de energa,minimizacin de desperdicios y aumento de produccin para esas empresas.

El doctor engel es coautor de Mecnica de fluidos y de Transferencia decalor y masa, ambos publicados por McGraw-Hill. Algunos de sus textos hansido traducidos al chino, japons, coreano, espaol, portugus, turco, italianoy griego.

engel recibi varios y notables premios a la enseanza, as como el pre-mio al Autor Distinguido que de ASEE Meriam/Wiley, en 1992, y de nuevoen 2000, por su autora de excelencia. Es un ingeniero profesional registradoen el estado de Nevada y es miembro de American Society of MechanicalEngineers (ASME), y de American Society for Engineering Education(ASEE).

Michael A. Boles es Profesor Asociado de Ingeniera Mecnica y Aero-espacial en North Carolina State University, donde obtuvo su doctorado eningeniera mecnica, y fue nombrado Profesor Distinguido por los alumnos.El doctor Boles ha recibido numerosos premios y nombramientos por suexcelencia como profesor de ingeniera. Recibi el Premio Ralph R. Teetorde Educacin, de la SAE, y dos veces fue electo para la Academia de Profe-sores Distinguidos de North Carolina State University. La seccin estudiantilASME de esa universidad lo ha reconocido en forma consistente como Profe-sor Notable del Ao, y como el miembro docente con mayor impacto en losalumnos de ingeniera mecnica.

Se especializa en transferencia de calor, e intervino en la solucinanaltica y numrica de cambio de fase y secado de medios porosos. Esmiembro de la American Society for Engineering Education (ASEE) y SigmaXi. El Dr. Boles recibi el Premio al Autor Distinguido de ASEEMeriam/Wiley, en 1992, por sus excelentes autoras.

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CONTENIDO BREVE

| xi

Captulo 11CICLOS DE REFRIGERACIN | 617

Captulo 12RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS | 663

Captulo 13MEZCLAS DE GASES | 695

Captulo 14MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 731

Captulo 15REACCIONES QUMICAS | 767

Captulo 16EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 811

Captulo 17FLUJO COMPRESIBLE | 843

Apndice 1TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 903

Apndice 2TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) | 953

Captulo 1INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS | 1

Captulo 2ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISIS GENERAL DE LA ENERGA | 51

Captulo 3PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS | 111

Captulo 4ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS | 165

Captulo 5ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) | 221

Captulo 6LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA | 281

Captulo 7ENTROPA | 333

Captulo 8EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIALDE TRABAJO | 429

Captulo 9CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 493

Captulo 10CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 561

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| xiii

Prefacio xxi

Captulo 1INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS | 1

1-1 Termodinmica y energa 2reas de aplicacin de la termodinmica 3

1-2 Importancia de las dimensiones y unidades 3Algunas unidades SI e inglesas 6Homogeneidad dimensional 8Relaciones de conversin de unidades 9

1-3 Sistemas cerrados y abiertos 10

1-4 Propiedades de un sistema 12Continuo 12

1-5 Densidad y densidad relativa 13

1-6 Estado y equilibrio 14Postulado de estado 14

1-7 Procesos y ciclos 15Proceso de flujo estacionario 16

1-8 Temperatura y ley cero de la termodinmica 17Escalas de temperatura 17Escala de temperatura internacional de 1990

(ITS-90) 20

1-9 Presin 21Variacin de la presin con la profundidad 23

1-10 Manmetro 26Otros dispositivos de medicin de presin 29

1-11 Barmetro y presin atmosfrica 29

1-12 Tcnica para resolver problemas 33Paso 1: enunciado del problema 33Paso 2: esquema 33Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34Paso 4: leyes fsicas 34Paso 5: propiedades 34Paso 6: clculos 34Paso 7: razonamiento, comprobacin y anlisis 34Paquetes de software de ingeniera 35Programa para resolver ecuaciones de Ingeniera

(Engineering Equation Solver, EES) 36Observacin acerca de los dgitos

significativos 38

ContenidoResumen 39Referencias y lecturas recomendadas 39Problemas 40

Captulo 2ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISISGENERAL DE ENERGA | 51

2-1 Introduccin 52

2-2 Formas de energa 53Algunas consideraciones fsicas en relacin

con la energa interna 55Ms sobre energa nuclear 56Energa mecnica 58

2-3 Transferencia de energa por calor 60Antecedentes histricos sobre el calor 61

2-4 Transferencia de energa por trabajo 62Trabajo elctrico 65

2-5 Formas mecnicas del trabajo 66Trabajo de flecha 66Trabajo de resorte 67Trabajo hecho sobre barras slidas elsticas 67Trabajo relacionado con el estiramiento

de una pelcula lquida 68Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68Formas no mecnicas del trabajo 69

2-6 La primera ley de la termodinmica 70Balance de energa 71Cambio de energa de un sistema, Esistema 72Mecanismos de transferencia de energa,

Eentrada y Esalida 73

2-7 Eficiencia en la conversin de energa 78Eficiencia de dispositivos mecnicos y elctricos 82

2-8 Energa y ambiente 86Ozono y smog 87Lluvia cida 88Efecto invernadero: calentamiento global

y cambio climtico 89

Tema de inters especial. Mecanismos de transferencia de calor 92Resumen 96Referencias y lecturas recomendadas 97Problemas 98

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xiv | Contenido

Captulo 3PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS | 111

3-1 Sustancia pura 112

3-2 Fases de una sustancia pura 112

3-3 Procesos de cambio de faseen sustancias puras 113Lquido comprimido y lquido saturado 114Vapor saturado y vapor sobrecalentado 114Temperatura de saturacin y presin de saturacin 115Algunas consecuencias de la dependencia

de Tsat y Psat 117

3-4 Diagramas de propiedades paraprocesos de cambio de fase 1181 Diagrama T-v 1182 Diagrama P-v 120Ampliacin de los diagramas para incluir la fase

slida 1213 Diagrama P-T 124Superficie P-v-T 125

3-5 Tablas de propiedades 126Entalpa: una propiedad de combinacin 1261a Estados de lquido saturado

y de vapor saturado 1271b Mezcla saturada de lquido-vapor 1292 Vapor sobrecalentado 1323 Lquido comprimido 133Estado de referencia y valores de referencia 135

3-6 Ecuacin de estado de gas ideal 137El vapor de agua es un gas ideal? 139

3-7 Factor de compresibilidad, una medida de la desviacin del comportamiento de gas ideal 139

3-8 Otras ecuaciones de estado 144Ecuacin de estado de Van der Waals 144Ecuacin de estado de Beattie-Bridgeman 145Ecuacin de estado de Benedict-Webb-Rubin 145Ecuacin de estado virial 145

Tema de inters especial. Presin de vapor y equilibrio de fases 149

Resumen 153Referencias y lecturas recomendadas 154Problemas 154

Captulo 4ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS | 165

4-1 Trabajo de frontera mvil 166Proceso politrpico 171

4-2 Balance de energa para sistemas cerrados 173

4-3 Calores especficos 178

4-4 Energa interna, entalpa y calores especficos de gases ideales 180Relaciones de calores especficos

de gases ideales 182

4-5 Energa interna, entalpa y caloresespecficos de slidos y lquidos 189Cambios de energa interna 189Cambios de entalpa 189

Tema de inters especial. Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos 193


Captulo 5ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENESDE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) | 221

5-1 Conservacin de la masa 222Flujos msico y volumtrico 222Principio de conservacin de la masa 224Balance de masa para procesos de flujo estacionario 225Caso especial: flujo incompresible 226

5-2 Trabajo de flujo y energa de un fluido en movimiento 228Energa total de un fluido en movimiento 229Energa transportada por la masa 230

5-3 Anlisis de energa de sistemas de flujo estacionario 232

5-4 Algunos dispositivos de ingeniera de flujo estacionario 2351 Toberas y difusores 2352 Turbinas y compresores 2383 Vlvulas de estrangulamiento 2414a Cmaras de mezclado 2424b Intercambiadores de calor 2445 Flujo en tuberas y ductos 246

5-5 Anlisis de procesos de flujo no estacionario 248

Tema de inters especial. Ecuacin general de energa 254


Captulo 6LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA | 281

6-1 Introduccin a la segunda ley 282

6-2 Depsitos de energa trmica 283

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Contenido | xv

6-3 Mquinas trmicas 284Eficiencia trmica 285Es posible ahorrar Qsalida ? 287La segunda ley de la termodinmica:

enunciado de Kelvin-Planck 289

6-4 Refrigeradores y bombas de calor 289Coeficiente de desempeo 290Bombas de calor 291La segunda ley de la termodinmica:

enunciado de Clausius 294Equivalencia de los dos enunciados 294

6-5 Mquinas de movimiento perpetuo 295

6-6 Procesos reversibles e irreversibles 298Irreversibilidades 299Procesos interna y externamente reversibles 300

6-7 El ciclo de Carnot 301Ciclo de Carnot inverso 303

6-8 Principios de Carnot 303

6-9 Escala termodinmica de temperatura 305

6-10 La mquina trmica de Carnot 307Calidad de la energa 309Cantidad contra calidad en la vida diaria 310

6-11 El refrigerador de Carnot y la bomba de calor 311

Tema de inters especial. Refrigeradoresdomsticos 313


Captulo 7ENTROPA | 333

7-1 Entropa 334Caso especial: procesos isotrmicos de transferencia

de calor internamente reversibles 336

7-2 El principio del incremento de entropa 337Algunos comentarios sobre la entropa 339

7-3 Cambio de entropa de sustancias puras 341

7-4 Procesos isentrpicos 345

7-5 Diagramas de propiedades que involucran a la entropa 346

7-6 Qu es la entropa? 348La entropa y la generacin de entropa en la vida diaria 350

7-7 Las relaciones T ds 352

7-8 Cambio de entropa de lquidos y slidos 353

7-9 Cambio de entropa de gases ideales 356Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 357Calores especficos variables (anlisis exacto) 358Proceso isentrpico de gases ideales 360

Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 360Calores especficos variables (anlisis exacto) 361Presin relativa y volumen especfico relativo 361

7-10 Trabajo reversible en flujo estacionario 364Demostracin de que los dispositivos de flujo estacionario

entregan el mximo trabajo y consumen el mnimo cuando el proceso es reversible 367

7-11 Minimizacin del trabajo del compresor 368Compresin por etapas mltiples

con interenfriamiento 369

7-12 Eficiencias isentrpicas de dispositivosde flujo estacionario 372Eficiencia isentrpica de turbinas 373Eficiencias isentrpicas de compresores y bombas 375Eficiencia isentrpica de toberas aceleradoras 377

7-13 Balance de entropa 379Cambio de entropa de un sistema, Ssistema 380Mecanismos de transferencia de entropa,

Sentrada y Ssalida 3801 Transferencia de calor 3802 Flujo msico 381Generacin de entropa, Sgen 382Sistemas cerrados 383Volmenes de control 383Generacin de entropa asociada con un proceso

de transferencia de calor 391

Tema de inters especial. Reduccin del costo del aire comprimido 393


Captulo 8EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIALDE TRABAJO | 429

8-1 Exerga: potencial de trabajo de la energa 430Exerga (potencial de trabajo) asociado

con la energa cintica y potencial 431

8-2 Trabajo reversible e irreversibilidad 433

8-3 Eficiencia segn la segunda ley, hII 438

8-4 Cambio de exerga de un sistema 440Exerga de una masa fija: exerga sin flujo

(o de sistema cerrado) 441Exerga de una corriente de fluido:

exerga de flujo (o corriente) 443

8-5 Transferencia de exerga por calor, trabajo y masa 446Transferencia de exerga por calor, Q 446Transferencia de exerga por trabajo, W 448Transferencia de exerga por masa, m 448

8-6 Principio de disminucin de exerga y destruccin de exerga 449Destruccin de exerga 450

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8-7 Balance de exerga: sistemas cerrados 450

8-8 Balance de exerga: volmenes de control 463Balance de exerga para sistemas de flujo

estacionario 464Trabajo reversible, W rev 465Eficiencia segn la segunda ley para dispositivos

de flujo estacionario, hII 465

Tema de inters especial. Aspectos cotidianos de la segunda ley 471


Captulo 9CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 493

9-1 Consideraciones bsicas para el anlisis de los ciclos de potencia 494

9-2 El ciclo de Carnot y su valor en ingeniera 496

9-3 Suposiciones de aire estndar 498

9-4 Breve panorama de las mquinas reciprocantes 499

9-5 Ciclo de Otto: el ciclo ideal para las mquinas de encendido por chispa 500

9-6 Ciclo diesel: el ciclo ideal para las mquinas de encendido por compresin 506

9-7 Ciclos Stirling y Ericsson 509

9-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motoresde turbina de gas 513Desarrollo de las turbinas de gas 516Desviacin de los ciclos reales de turbina de gas

en comparacin con los idealizados 519

9-9 Ciclo Brayton con regeneracin 521

9-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin 523

9-11 Ciclos ideales de propulsin por reaccin 527Modificaciones para motores de turborreactor 531

9-12 Anlisis de ciclos de potencia de gascon base en la segunda ley 533

Tema de inters especial. Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez 536


xvi | Contenido

Captulo 10CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 561

10-1 El ciclo de vapor de Carnot 562

10-2 Ciclo Rankine: el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor 563Anlisis de energa del ciclo Rankine ideal 564

10-3 Desviacin de los ciclos de potencia de vaporreales respecto de los idealizados 567

10-4 Cmo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 570Reduccin de la presin del condensador

(reduccin de Tbaja,prom) 570Sobrecalentamiento del vapor a altas

temperaturas (incremento de Talta,prom) 571Incremento de la presin de la caldera

(incremento de Talta,prom) 571

10-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 574

10-6 El ciclo Rankine ideal regenerativo 578Calentadores abiertos de agua de alimentacin 578Calentadores cerrados de agua de alimentacin 580

10-7 Anlisis de ciclos de potencia de vaporcon base en la segunda ley 586

10-8 Cogeneracin 588

10-9 Ciclos de potencia combinadosde gas y vapor 593

Tema de inters especial. Ciclos binarios de vapor 596


Captulo 11CICLOS DE REFRIGERACIN | 617

11-1 Refrigeradores y bombas de calor 618

11-2 El ciclo invertido de Carnot 619

11-3 El ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor 620

11-4 Ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor 624

11-5 Seleccin del refrigerante adecuado 626

11-6 Sistemas de bombas de calor 628

11-7 Sistemas innovadores de refrigeracin por compresin de vapor 630Sistemas de refrigeracin en cascada 630Sistemas de refrigeracin por compresin

de mltiples etapas 633

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Contenido | xvii

Sistemas de refrigeracin de propsito mltiplecon un solo compresor 635

Licuefaccin de gases 636

11-8 Ciclos de refrigeracin de gas 638

11-9 Sistemas de refrigeracin por absorcin 641

Tema de inters especial. Sistemas termoelctricosde generacin de potencia y de refrigeracin 644


Captulo 12RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS | 663

12-1 Un poco de matemticas: derivadas parciales y relaciones asociadas 664Diferenciales parciales 665Relaciones de derivadas parciales 667

12-2 Relaciones de Maxwell 668

12-3 La ecuacin de Clapeyron 670

12-4 Relaciones generales para du, dh, ds,cv y cp 673Cambios en la energa interna 673Cambios de entalpa 674Cambios de entropa 675Calores especficos cv y cp 676

12-5 El coeficiente Joule-Thomson 680

12-6 Las h, u y s de gases reales 681Cambios en la entalpa de gases reales 682Cambios de energa interna de gases ideales 683Cambios de entropa de gases reales 683


Captulo 13MEZCLAS DE GASES | 695

13-1 Composicin de una mezcla de gases: fracciones molares y de masa 696

13-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 698Mezclas de gases ideales 699Mezclas de gases reales 699

13-3 Propiedades de mezclas de gases:gases ideales y reales 703Mezclas de gases ideales 704Mezclas de gases reales 707

Tema de inters especial. Potencial qumico y el trabajo de separacin de mezclas 711


Captulo 14MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 731

14-1 Aire seco y aire atmosfrico 732

14-2 Humedad especfica y relativa del aire 733

14-3 Temperatura de punto de roco 735

14-4 Temperaturas de saturacin adiabtica y de bulbo hmedo 737

14-5 La carta psicromtrica 740

14-6 Comodidad humana y acondicionamiento de aire 741

14-7 Procesos de acondicionamiento de aire 743Calentamiento y enfriamiento simples (v constante) 744Calentamiento con humidificacin 745Enfriamiento con deshumidificacin 746Enfriamiento evaporativo 748Mezclado adiabtico de flujos de aire 749Torres de enfriamiento hmedo 751


Captulo 15REACCIONES QUMICAS | 767

15-1 Combustibles y combustin 768

15-2 Procesos de combustin terica y real 772

15-3 Entalpa de formacin y entalpa de combustin 778

15-4 Anlisis de sistemas reactivos con baseen la primera ley 781Sistemas de flujo estacionario 781Sistemas cerrados 783

15-5 Temperatura de flama adiabtica 786

15-6 Cambio de entropa de sistemas reactivos 789

15-7 Anlisis de sistemas reactivos con baseen la segunda ley 791

Tema de inters especial. Celdas de combustible 796


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Captulo 16EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 811

16-1 Criterio para el equilibrio qumico 812

16-2 La constante de equilibrio para mezclas de gases ideales 814

16-3 Algunas observaciones respecto a la KPde las mezclas de gases ideales 817

16-4 Equilibrio qumico para reacciones simultneas 822

16-5 Variacin de KP con la temperatura 824

16-6 Equilibrio de fase 826Equilibrio de fase para un sistema de un solo

componente 826La regla de fases 827Equilibrio de fases para un sistema

multicomponente 828


Captulo 17 FLUJO COMPRESIBLE | 843

17-1 Propiedades de estancamiento 844

17-2 Velocidad del sonido y nmero de Mach 847

17-3 Flujo isentrpico unidimensional 849Variacin de la velocidad del fluido con el rea

de flujo 852Relaciones de propiedades para el flujo isentrpico

de gases ideales 854

17-4 Flujo isentrpico a travs de toberasaceleradoras 856Toberas aceleradoras convergentes 856Toberas convergentes-divergentes 861

17-5 Ondas de choque y ondas de expansin 865Choques normales 865Choques oblicuos 872Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 876

17-6 Flujo en un ducto con transferencia de calor, de friccin insignificante (flujo de Rayleigh) 880Relaciones de propiedades para flujos

de Rayleigh 886Flujo de Rayleigh bloqueado 887

17-7 Toberas de vapor de agua 889


xviii | Contenido

Apndice 1TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURASY DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 903

Tabla A-1 Masa molar, constante de gas ypropiedades del punto crtico 904

Tabla A-2 Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 905

Tabla A-3 Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 908

Tabla A-4 Agua saturada. Tabla de temperaturas 910

Tabla A-5 Agua saturada. Tabla de presiones 912Tabla A-6 Vapor de agua sobrecalentado 914Tabla A-7 Agua lquida comprimida 918Tabla A-8 Hielo saturado. Vapor de agua 919Figura A-9 Diagrama T-s para el agua 920Figura A-10 Diagrama de Mollier para

el agua 921

Tabla A-11 Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 922

Tabla A-12 Refrigerante 134a saturado. Tabla de presin 924

Tabla A-13 Refrigerante 134a sobrecalentado 925Figura A-14 Diagrama P-h para el

refrigerante 134a 927

Figura A-15 Grfica generalizada de compresibilidadde Nelson-Obert 928

Tabla A-16 Propiedades de la atmsfera a gran altitud 929

Tabla A-17 Propiedades de gas ideal del aire 930Tabla A-18 Propiedades de gas ideal del nitrgeno,

N2 932

Tabla A-19 Propiedades de gas del oxgeno, O2 934

Tabla A-20 Propiedades de gas ideal del dixido de carbono, CO2 936

Tabla A-21 Propiedades de gas ideal del monxidode carbono, CO 938

Tabla A-22 Propiedades de gas ideal del hidrgeno, H2 940

Tabla A-23 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 941

Tabla A-24 Propiedades de gas ideal del oxgenomonoatmico, O 943

Tabla A-25 Propiedades de gas ideal del hidroxilo, OH 943

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Contenido | xix

Tabla A-26 Entalpa de formacin, funcin de Gibbsde formacin y entropa absoluta a 25C,1 atm 944

Tabla A-27 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 945

Tabla A-28 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp 946

Figura A-29 Grfica generalizada de desviacin de entalpa 947

Figura A-30 Grfica generalizada de desviacin de entropa 948

Figura A-31 Grfica psicromtrica a 1 atm de presintotal 949

Tabla A-32 Funciones de flujo compresibleunidimensional e isentrpico deun gas ideal con k 1.4 950

Tabla A-33 Funciones de choque normalunidimensional de un gas ideal con k 1.4 951

Tabla A-34 Funciones del flujo de Rayleigh para ungas ideal con k 1.4 952

Apndice 2TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS(UNIDADES INGLESAS) | 953

Tabla A-1E Masa molar, constante de gas ypropiedades del punto crtico 954

Tabla A-2E Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 955

Tabla A-3E Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 958

Tabla A-4E Agua saturada. Tabla de temperaturas 960

Tabla A-5E Agua saturada. Tabla de presiones 962

Tabla A-6E Vapor de agua sobrecalentado 964Tabla A-7E Agua lquida comprimida 968Tabla A-8E Hielo saturado. Vapor de agua 969Figura A-9E Diagrama T-s para el agua 970Figura A-10E Diagrama de Mollier para el agua 971Tabla A-11E Refrigerante 134a saturado. Tabla

de temperatura 972

Tabla A-12E Refrigerante 134a saturado. Tabla de presin 973

Tabla A-13E Refrigerante 134a sobrecalentado 974Figura A-14E Diagrama P-h para refrigerante

134a 976

Tabla A-16E Propiedades de la atmsfera a gran altitud 977

Tabla A-17E Propiedades de gas ideal del aire 978Tabla A-18E Propiedades de gas ideal del nitrgeno,

N2 980

Tabla A-19E Propiedades de gas ideal del oxgeno, O2 982

Tabla A-20E Propiedades de gas ideal del dixido de carbono, CO2 984

Tabla A-21E Propiedades de gas ideal del monxidode carbono, CO 986

Tabla A-22E Propiedades de gas ideal del hidrgeno, H2 988

Tabla A-23E Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 989

Tabla A-26E Entalpa de formacin, funcin de Gibbsde formacin y entropa absoluta a 77C,1 atm 991

Tabla A-27E Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 992

Figura A-31E Grfica psicromtrica a 1 atm de presin total 993

ndice 995

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ANTECEDENTES La termodinmica es una materia excitante y fascinante que trata sobre laenerga, la cual es esencial para la conservacin de la vida mientras que la ter-modinmica ha sido por mucho tiempo una parte fundamental de los progra-mas de estudio de ingeniera en todo el mundo. Ciencia que tiene una ampliaaplicacin que va desde los organismos microscpicos hasta los electrodoms-ticos, los vehculos de transporte, los sistemas de generacin de energa elc-trica e incluso la filosofa. Este libro contiene suficiente material para doscursos consecutivos de termodinmica y se supone que los estudiantes poseenantecedentes slidos en fsica y clculo.

OBJETIVOS Esta obra est pensada para ser utilizada por los estudiantes como libro detexto durante los ltimos aos de su licenciatura y por ingenieros expertoscomo libro de referencia. Los objetivos de esta obra son:

Cubrir los principios bsicos de la termodinmica.

Presentar una vasta cantidad de ejemplos reales de ingeniera con lafinalidad de proporcionar al estudiante una idea de cmo se aplica latermodinmica en la prctica de la ingeniera.

Desarrollar una comprensin intuitiva de la termodinmica haciendonfasis en la fsica y en los argumentos fsicos.

Se desea sobre todo que este libro mediante sus explicaciones clarassobre conceptos y del uso de numerosos ejemplos prcticos y figurasayude a los estudiantes a desarrollar las habilidades bsicas para llenar elespacio que existe entre el conocimiento y la confianza para aplicar ade-cuadamente tal aprendizaje.

FILOSOFA Y OBJETIVOLa filosofa que contribuy a la enorme popularidad que gozaron anterioresediciones de esta obra se ha conservado intacta en esta nueva edicin. En par-ticular, el objetivo ha sido proporcionar un libro de Ingeniera que

Llegue directamente y de una manera simple pero precisa a la mentede los futuros ingenieros.

Conduzca a los estudiantes hacia una comprensin clara y un conoci-miento firme de los principios bsicos de la termodinmica.

Fomente el pensamiento creativo y el desarrollo de una compresinms profunda y un conocimiento intuitivo sobre la materia.

Sea ledo por los estudiantes con inters y entusiasmo en vez de que seutilice como una ayuda en la resolucin de problemas.

PREFACIO

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Se ha hecho un esfuerzo especial para atraer la curiosidad natural de los lec-tores y ayudar a los estudiantes a explorar las diversas facetas del emocionantetema de la termodinmica. La respuesta entusiasta que hemos recibido por par-te de los usuarios de ediciones anteriores desde pequeas escuelas hastagrandes universidades indica que nuestros objetivos se han alcanzado en bue-na parte. Nuestra filosofa ha sido que la mejor forma de aprender es a travs dela prctica, por lo tanto se ha realizado un esfuerzo especial a lo largo de todoel libro para reforzar el material que se present en ediciones anteriores.

Antes, los ingenieros pasaban una gran parte de su tiempo sustituyendo va-lores en las frmulas y obteniendo resultados numricos; sin embargo, ahorala manipulacin de frmulas y el procesamiento de datos numricos se reser-van principalmente a las computadoras. El ingeniero del maana deber teneruna comprensin clara y conocimientos firmes sobre los principios bsicos demodo que pueda comprender incluso los problemas ms complejos, formular-los e interpretar los resultados. Nos esforzamos por enfatizar estos principiosbsicos y adems ofrecemos a los estudiantes un panorama del uso que se da alas computadoras en la prctica de la Ingeniera.

En todo el libro se ha utilizado el enfoque tradicional clsico o macrosc-pico con argumentos microscpicos que juegan un papel de soporte. Este en-foque est ms en lnea con la intuicin de los estudiantes y hace mucho msfcil el aprendizaje de la materia.

LO NUEVO EN ESTA EDICINTodas las caractersticas conocidas de las ediciones anteriores se conservan yadems se aaden nuevas. Exceptuando la reorganizacin del tratamiento dela primera ley y la actualizacin de las propiedades del vapor y del refrige-rante, el cuerpo principal del texto permanece en su mayor parte sin modifi-caciones.

PRESENTACIN TEMPRANA DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICALa primera ley de la termodinmica se presenta ahora en esta edicin al prin-cipio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y anlisis general de laenerga. Este captulo introductorio conforma el marco para establecer unacomprensin general de las diferentes formas de la energa, los mecanismospara la transferencia de energa, el concepto de balance de energa, laeconoma termodinmica, la conversin de energa y la eficiencia de conver-sin, mediante el uso de escenarios familiares dentro de los que se incluyenformas de energa elctrica y mecnica, principalmente. Asimismo, en lasprimeras etapas del curso se expone para los estudiantes algunas formidablesaplicaciones de la termodinmica en la vida real y les ayuda a crear concien-cia del valor econmico de la energa.

MS DE 700 PROBLEMAS DETALLADOS NUEVOSEn esta edicin se incluyen ms de 700 problemas detallados nuevos, que seoriginaron principalmente en aplicaciones industriales. Son problemas cuyasolucin requiere investigaciones paramtricas, y por tanto el uso de unacomputadora; se identifican con un cono, como antes.

NFASIS EN LA FSICA Una caracterstica distintiva de este libro es el nfasis en los aspectos fsicosdel tema, adems de las representaciones y manipulaciones. Los autorescreen que el nfasis en la educacin de licenciatura debe ser desarrollar unsentido de los mecanismos fsicos subyacentes, y un dominio de solucin de

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Prefacio | xxiii

problemas prcticos que es probable que un ingeniero deba encarar en elmundo real. El desarrollo de una comprensin intuitiva tambin debe haceralgo ms motivadora y valiosa para los estudiantes.

USO EFICIENTE DE LA ASOCIACINUna mente observadora no debe tener dificultades para comprender las cien-cias de la ingeniera. Despus de todo, los principios de estas ciencias sebasan en experiencias cotidianas y observaciones experimentales. A lo largode la obra se usar un enfoque intuitivo ms fsico y con frecuencia se reali-zan similitudes entre el tema en cuestin y las experiencias diarias de losestudiantes, de modo que puedan relacionar la materia estudiada con lo quesaben de antemano. El proceso de cocinar, por ejemplo, sirve como un exce-lente vehculo para demostrar los principios bsicos de la termodinmica.

AUTOAPRENDIZAJEEl material del texto se presenta en un nivel de complejidad tal que un estu-diante promedio pueda seguirlos sin tener ningn problema. Se dirige a losestudiantes, no pasa sobre ellos; de hecho, se presta para el autoaprendizaje.La secuencia de la cobertura del material va de lo simple a lo general. Esdecir, comienza con el caso ms simple y agrega complejidad de forma gra-dual. De esta manera los conceptos bsicos se aplican repetidamente a sis-temas distintos, por lo que los estudiantes adquieren un dominio de cmoaplicar los principios en lugar de cmo simplificar una frmula general. Alobservar que los principios de la ciencia se basan en observaciones experi-mentales, todas las deducciones que se presentan en este libro se basan enargumentos fsicos, por lo tanto son fciles de seguir y comprender.

AMPLIO USO DE IMGENESLas figuras son instrumentos importantes para el aprendizaje y permiten a losestudiantes darse una idea general. En el texto se hace un uso eficiente delos grficos: contiene ms figuras e ilustraciones que ningn otro libro de estacategora. Las figuras atraen la atencin y estimulan la curiosidad y el inters.Algunas de las figuras sirven como un medio para enfatizar conceptos impor-tantes que de otra forma pasaran inadvertidos, mientras que otras se utilizancomo resmenes de prrafos. El famoso personaje de la historieta Blondie(en espaol conocido como Lorenzo Parachoques, de la tira cmica Lorenzoy Pepita) se usa para resaltar con humor algunos puntos clave, as como pararomper el hielo y relajar la tensin. Quin dice que el estudio de la termo-dinmica no puede ser divertido?

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Y RESMENESLos captulos comienzan con una descripcin general del material que seestudiar y con los objetivos de aprendizaje especficos. Al final de cadacaptulo se incluye un resumen que proporciona una revisin rpida de losconceptos bsicos y relaciones importantes enfatizando la importancia delmaterial.

NUMEROSOS EJEMPLOS DE EJERCICIOS CON UN PROCEDIMIENTOSISTEMTICO PARA RESOLVERLOSCada captulo contiene varios ejemplos de ejercicios que esclarecen el mate-rial e ilustran el uso de los principios bsicos. En la resolucin de los proble-mas de ejemplo se utiliz un enfoque intuitivo y sistemtico, mientras que seconserv un estilo informal de conversacin. En primer trmino se enuncia elproblema y se identifican los objetivos. Despus, se establecen las suposi-ciones junto con sus justificaciones. En forma separada, se enlistan las

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propiedades necesarias para resolver el problema, si as lo amerita. Se uti-lizan valores numricos en conjunto con sus unidades para enfatizar que silos primeros carecen de las segundas no tienen ningn significado, y que lamanipulacin de stas es tan importante como la manipulacin de aqullosmediante el uso de la calculadora. Una vez que se llega a la solucin, se anali-za el significado del valor que se obtuvo. Este mtodo se utiliza tambin de ma-nera consistente en las resoluciones que se presentan en el manual derespuestas del profesor.

UNA GRAN CANTIDAD DE PROBLEMAS REALES AL FINAL DE CADA CAPTULOLos problemas que se incluyen al final de cada captulo estn agrupados bajotemas especficos a fin de hacer que la seleccin de problemas sea ms fciltanto para el profesor como para el estudiante. En cada grupo de problemas seencuentran Preguntas de concepto, indicadas con la letra C, para verificar elnivel de comprensin del estudiante sobre conceptos bsicos. Los problemasque se agrupan en el apartado Problemas de repaso son de naturaleza mscompleta y no estn relacionados directamente con alguna seccin especficade determinado captulo (en algunos casos requieren la revisin del materialque se aprendi en los captulos anteriores). Los del apartado Diseo y ensayotienen como objetivo alentar a los estudiantes a elaborar juicios sobre inge-niera, conducir la investigacin independiente de temas de inters y comu-nicar sus descubrimientos de manera profesional. Los problemas identificadoscon la letra E estn en unidades inglesas, por lo que los usuarios del SIpueden ignorarlos. Los problemas marcados con el cono se resuelven uti-lizando el software Engineer Equation Solver (EES), y todas sus solucionesjunto con los estudios paramtricos estn incluidos en el DVD anexo al libro.Los problemas marcados con el cono son de naturaleza ms completa yestn diseados para resolverse por medio de la computadora, de preferenciautilizando el software que acompaa al libro. Varios problemas relacionadoscon la economa y la seguridad se incorporan a lo largo del libro para reforzarentre los estudiantes de ingeniera la conciencia acerca del costo y la seguri-dad. Las respuestas a algunos problemas seleccionados se enumeran inme-diatamente despus de la descripcin de los mismos para mayor comodidad.Adems, con el fin de preparar a los estudiantes para el examen sobre funda-mentos de ingeniera (que cada vez cobra mayor importancia en el criterio deseleccin del ABET 2000) y para facilitar los exmenes de opcin mltiple, seincluyeron ms de 200 problemas de opcin mltiple en los diferentes aparta-dos de los problemas que se hallan al final de cada captulo. Dichos problemasestn identificados bajo el ttulo Problemas para el examen sobre fundamentosde ingeniera (FI) a fin de que sean reconocibles fcilmente. El objetivo deestos problemas es verificar la comprensin de los fundamentos y ayudar a loslectores a evitar que incurran en errores comunes.

CONVENCIN DE SIGNOSSe renuncia al uso de una convencin de signos formal para calor y trabajo de-bido a que a menudo puede ser contraproducente. Se adopta un mtodo fsica-mente significativo e interesante para crear interacciones en lugar de un mto-do mecnico. Los subndices entrada y salida se emplean en lugar de lossignos ms y menos con el fin de sealar las direcciones de las interacciones.

FRMULAS FSICAMENTE SIGNIFICATIVASLas formas fsicamente significativas de las ecuaciones de balance se usan enlugar de las frmulas, a fin de fomentar una comprensin ms profunda yevitar un mtodo del tipo receta de cocina. Los balances de masa, energa,

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entropa y exerga para cualquier sistema que experimenta cualquier procesose expresan como sigue

Balance de masa:

Balance de energa:

Balance de entropa:

Balance de exerga:

Estas relaciones reafirman que durante un proceso real la masa y la energa seconservan, la entropa se genera y la exerga se destruye. Se invita a los estu-diantes a que usen estas formas de balance en los primeros captulos despusde que especifiquen el sistema y las simplifiquen para cada problema en par-ticular. Un mtodo mucho ms relajado se emplea en los captulos posterioresa medida que los estudiantes van adquiriendo un mayor dominio.

LA SELECCIN DE UNIDADES SI O EN UNIDADES INGLESASComo un reconocimiento al hecho de que las unidades inglesas an se usanampliamente en algunas industrias, en el libro se emplean tanto unidades SIcomo inglesas, haciendo nfasis en el SI. El contenido se puede cubrir usan-do la combinacin de unidades SI e inglesas o nicamente las del SI, deacuerdo con la preferencia del profesor. Las grficas y tablas de propiedadesen los apndices se presentan en ambas unidades, excepto en aquellas queimplican cantidades dimensionales. Los problemas, tablas y grficas en uni-dades inglesas estn identificados con la letra E, colocado despus del n-mero con la finalidad de que sea sencillo reconocerlos; asimismo, los usua-rios del sistema SI pueden ignorarlos sin ningn problema.

TEMAS DE INTERS ESPECIALLa mayora de los captulos contienen una seccin llamada Tema de intersespecial, en la que se analizan algunos aspectos interesantes de la termodi-nmica. Ejemplos de ello son Aspectos termodinmicos de los sistemas biol-gicos, que aparece en el captulo 4; Refrigeradores domsticos, del 6; Aspec-tos cotidianos de la segunda ley, del 8, y Ahorro de combustible y dinero almanejar sensatamente, del captulo 9. Los temas seleccionados para esta sec-cin ofrecen extensiones verdaderamente intrigantes sobre termodinmica;sin embargo, si se desea pueden omitirse sin que esto represente una prdidade continuidad.

GLOSARIO DE TRMINOS TERMODINMICOSA lo largo de todos los captulos, cuando se presenta y define un trmino oconcepto de fundamental importancia, ste aparece en negritas.

FACTORES DE CONVERSINLos factores de conversin y las constantes fsicas de uso frecuente se listanen las pginas de las cubiertas interiores del texto para que sean una referen-cia fcil de usar.

Transferencia neta de energapor calor, trabajo y masa

Cambio en la energa interna,cintica, potencial, etc.

Transferencia neta de entropapor calor, trabajo y masa

Generacinentrpica

Cambio enla entropa

Transferencia neta de exergapor calor, trabajo y masa

Destruccinde exerga

Cambiode exerga

X entrada X salida Xeliminado X sistema

entrada salida gen sistema

Eentrada E salida E sistema

entrada salida sistema

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SUPLEMENTOSLos siguientes suplementos se encuentran disponibles para quienes estudiancon este libro.

DVD DE RECURSOS PARA EL ESTUDIANTEIncluido sin costo alguno en cada ejemplar, este DVD ofrece una gran canti-dad de recursos para los estudiantes que incluye experimentos fsicos de ter-modinmica, una gua interactiva y el software EES.

Experimentos fsicos de termodinmica: Una caracterstica nueva de estaedicin es la inclusin de experimentos fsicos de termodinmica, elaboradospor Ronald Mullisen del Departamento de Ingeniera Mecnica de Cal Poly,en San Luis Obispo. Ubicados en lugares convenientes en los mrgenes delos captulos 1, 3 y 4, estos experimentos fsicos aparecen mediante fotogra-fas y texto que se relacionan directamente con el material estudiado en esapgina. Los textos remiten al lector a los problemas que se hallan al final delcaptulo, los cuales proporcionan una breve descripcin de los experimentos.stos cubren los temas propiedades termodinmicas, procesos termodinmi-cos y leyes termodinmicas. El DVD de recursos para el estudiante cubrecompletamente los nueve experimentos, cada uno de los cuales contiene unvideoclip, una narracin completa que a su vez contiene los antecedentes his-tricos y datos reales (en un archivo de Excel, generalmente). Las respuestastambin se proporcionan en el sitio de Internet que acompaa al libro y estnprotegidos con contrasea para el uso del profesor. Una vez que el estudiantehaya visto el video y ledo el texto, estar listo para reducir los datos y obte-ner resultados que se relacionan directamente con el material que se presentaen los captulos. En todos los experimentos, los resultados finales se compa-ran con la informacin publicada. La mayora de los experimentos arrojan re-sultados finales que se encuentran dentro del 10 por ciento o muy cerca deeste porcentaje respecto a los valores publicados.

Gua interactiva de termodinmica: Tambin incluida en el DVD de recur-sos para el estudiante est la Gua interactiva de termodinmica, desarrolladapor Ed Anderson de la Texas Tech University. Esta gua revisada se relacionadirectamente con el texto a travs de un cono que indica cundo los estu-diantes debern remitirse a sta para investigar ms a fondo temas especficoscomo el balance de energa y los procesos isentrpicos.

Engineering Equation Solver (EES): Desarrollado por Sanford Klein y Wi-lliam Beckman, de University of Wisconsin-Madison, este programa combinala capacidad de resolver ecuaciones y los datos de las propiedades de inge-niera. El EES puede hacer operaciones de optimizacin, anlisis paramtri-cos y regresin lineal y no lineal; adems, posee la capacidad para elaborargrficos con la calidad que se requiere para su publicacin. Se incluyen laspropiedades termodinmicas y de transporte del aire, agua y muchos otrosfluidos, lo que permite que el usuario del EES pueda ingresar datos de pro-piedades o relaciones funcionales.

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AGRADECIMIENTOSLos autores desean reconocer, con aprecio, los numerosos y valiosos comenta-rios, sugerencias, crticas constructivas y elogios por parte de los siguientesevaluadores y revisores:

Ralph AldredgeUniversity of CaliforniaDavis

M. Cengiz AltanUniversity of Oklahoma

M. Ruhul AminMontana State University

Edward E. AndersonTexas Tech University

Kirby S. ChapmanKansas State University

Ram DevireddyLouisiana State University

Timothy DowlingUniversity of Louisville

Gloria D. ElliottUniversity of North CarolinaCharlotte

Afshin J. GhajarOklahoma State University

Daniel K. HarrisAuburn University

Jerre M. HillUniversity of North CarolinaCharlotte

Shoeleh Di JulioCalifornia State UniversityNorthridge

Gunol KojasoyUniversity of WisconsinMilwaukee

Marilyn LightstoneMcMaster University

Robert P. LuchtPurdue University

Pedro J. MagoMississippi State University

James A. MathiasSouthern Illinois State University

Pavlos G. MikellidesArizona State University

Laurent PilonUniversity of CaliforniaLos Angeles

Subrata RoyKettering University

Brian SavilonisWorcester Polytechnic Institute

Kamran SiddiquiConcordia University

Robert SpallUtah State University

Israel UrieliOhio University

Sus sugerencias ayudaron mucho a mejorar la calidad de este texto. En par-ticular quisiramos expresar nuestra gratitud a Mehmet Kanoglu, de Univer-sity of Gaziantep, Turqua, por sus valiosas contribuciones, su revisin crticadel manuscrito y su especial atencin a la exactitud y al detalle.

Tambin quisiramos agradecer a nuestros alumnos, de quienes conoci-mos gran cantidad de retroalimentacin, de acuerdo con sus perspectivas. Porltimo, deseamos expresar nuestro aprecio a nuestras esposas, Zehra engely Sylvia Boles, as como a nuestros hijos, por su persistente paciencia, com-prensin y apoyo durante la preparacin de este texto.

Yunus A. engelMichael A. Boles

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La termodinmica es una materia fascinanteque trata sobre la energa. Tiene una amplia

aplicacin que va desde los organismosmicroscpicos y aparatos domsticos hasta

los vehculos, los sistemas de generacin depotencia e incluso la filosofa. Las figuras

son herramientas importantes para el apren-dizaje que ayudan a los estudiantes a obte-ner un panorama sobre el tema, y esta obra

utiliza de manera efectiva los grficos al pre-sentar ms ilustraciones y fotografas quecualquier otro texto sobre termodinmica.

Visita guiada

En este libro se hace nfasis en los aspectos fsi-cos de la termodinmica, as como en las re-presentaciones y manipulaciones matemticas.Los autores consideran que el nfasis en la edu-cacin a nivel licenciatura debe continuar desa-rrollando el conocimiento de los mecanismos f-sicos en los que se basa esta materia, as como ladestreza en la resolucin de problemas prcticoscon los que el ingeniero se enfrentar, muy pro-bablemente, en el mundo real.

Compresorde bajapresin (CBP),5 etapas

Colector de aireextrado del CBP

Brida de impulsinde extremo fro

Compresorde alta presin,14 etapas

Combustor

Mltipledel sistemade combustible

Turbina dealta presin,2 etapas

Turbina debaja presin,5 etapas

Brida de impulsinde extremo caliente

Cortesa de GE Power Sistemas

EJEMPLO 2-17 Ahorros de costo relacionados con motores de alta eficiencia

Un motor elctrico de 60 hp (es decir, que entrega 60 hp de potencia de fle-cha a plena carga) con una eficiencia de 89 por ciento est descompuesto ydebe ser remplazado por otro de alta eficiencia: 93.2 por ciento (Fig. 2.61).El motor opera 3 500 horas al ao a plena carga. Tomando el costo unitariode la electricidad como $0.08/kWh, determine la cantidad de energa y dineroahorrado como resultado de instalar el motor de alta eficiencia en lugar delestndar. Tambin determine el periodo de retorno simple si los precios decompra de los motores estndar y de alta eficiencia son $4 520 y $5 160,respectivamente.

Solucin Se remplazar un motor inservible estndar por uno de alta efi-ciencia y se determinar la cantidad de energa elctrica y el dinero ahorrado,as como el periodo de retorno simple.Suposiciones El factor de carga del motor permanece constante en 1 (plenacarga) mientras operaAnlisis La potencia elctrica que extrae cada motor y su diferencia se expre-san como

donde estndar es la eficiencia del motor estndar y eficiente es la del de altaeficiencia. Entonces la energa anual y los ahorros de costo relacionados conla instalacin del motor de alta eficiencia son

Costos de energa (ahorros de potencia)(horas de operacin) (potencia nominal)(horas de operacin)

(factor de carga)(1/ estndar 1/ eficiente)(60 hp)(0.7457 kW/hp)(3 500 h/ao)(1)(1/0.89 1/0.932)

7 929 kWh/ao

Ahorros de costo (ahorros de energa)(costo unitario de energa)(7 929 kWh/ao)($0.08/kWh)

$634/aoAsimismo,

Costo inicial extra diferencia del precio de compra $5 160 $4 520 $640

Esto da un periodo de retorno simple de

Explicacin El motor de alta eficiencia paga su diferencia de precio dentrode un ao debido a la energa elctrica que ahorra. Como la vida til de losmotores elctricos es de varios aos, en este caso la compra del de mayor efi-ciencia es definitivamente la indicada.

Periodo de retorno simpleCosto inicial extra

Ahorros de costo anual$640

$634>aos 1.01 aos

Ahorro de energa W#

elctrica entrada,estndar W#

elctrica entrada,eficiente

W#

elctrica entrada,eficiente W#

flecha> eficiente 1potencia nominal2 1factor de carga2 > eficienteW#

elctrica entrada,estndar W#

flecha> estndar 1potencia nominal2 1factor de carga2 > estndar

1potencia nominal 2 1factor de carga2 11> estndar 1> eficiente2

Motor estndar

60 hp

h

Motor de alta eficiencia

60 hp

FIGURA 2-61Esquema para el ejemplo 2-17.

h

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Cada captulo comienza con unaperspectiva del material a exponer, y losobjetivos de aprendizaje, que se vinculancon los objetivos ABET. Se incluye unresumen al final de cada captulo dondeaparece un repaso rpido de los conceptosbsicos y las relaciones importantes, y sehace destacar la relevancia del material.

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La primera ley de la termodinmica sepresenta al inicio del captulo 2, Energa,transferencia de energa y anlisis generalde la energa. Este captulo proporcionauna comprensin general de la energa, delos mecanismos de la transferencia deenerga, del concepto de balance de ener-ga, de la economa trmica, de la conver-sin de la energa y de la eficiencia de laconversin. Asimismo, se expone al estu-diante desde el comienzo del curso algu-nas emocionantes aplicaciones de la ter-modinmica en el mundo real, lo cual lesayuda a establecer un sentido del valoreconmico de la energa

EJEMPLO 2-11 Aceleracin de aire mediante un ventilador

Mientras opera, un ventilador que consume 20 W de potencia elctrica y quese halla en un cuarto abierto descarga aire a una tasa de 0.25 kg/s y una ve-locidad de descarga de 8 m/s (Fig. 2.48). Determine si esta afirmacin es ra-zonable.

Solucin Un ventilador incrementa la velocidad del aire a un valor especifi-cado mientras consume potencia elctrica a una velocidad especificada. Seinvestigar la validez de esta afirmacin.Suposiciones Como el cuarto est relativamente en calma, es insignificantela velocidad del aire ah contenido.Anlisis Se examinan las conversiones de energa del caso: el motor del ven-tilador convierte parte de la potencia elctrica que consume en potencia me-cnica (flecha) empleada para hacer girar las aspas del ventilador. Las aspasestn diseadas para transmitir al aire una porcin grande de la potencia me-cnica de la flecha para moverlo. En el caso ideal de una permanente opera-cin con ausencia de prdidas (sin conversin de energa elctrica y mecnicaen energa trmica), la entrada de potencia elctrica ser igual a la tasa de in-cremento de la energa cintica del aire. Por lo tanto, para un volumen decontrol que encierra al motor, el balance de energa se expresa como

Si se despeja y sustituye Vsalida se obtiene la velocidad mxima de salida deaire

lo cual es menor a 8 m/s. Por lo tanto, la afirmacin es falsa.Explicacin El principio de conservacin de la energa requiere que la energase conserve cuando se convierte de una a otra forma y no permite que ningu-na energa se cree ni se destruya durante un proceso. Desde el punto de vistade la primera ley, no hay ningn error con la conversin de toda la energaelctrica en energa cintica. Por lo tanto, la primera ley no tiene objecin enque la velocidad del aire alcance 6.3 m/s, pero ste es el lmite superior.Cualquier afirmacin de una velocidad mayor a este lmite viola la primera leyy por lo tanto es imposible. En realidad, la velocidad del aire ser considera-blemente menor que 6.3 m/s como resultado de las prdidas relacionadas conla conversin de energa elctrica en energa mecnica de flecha y la conver-sin de sta en energa cintica del aire.

Vsalida BW#

elctrico,entrada

2m#

aire B20 J>s

2 10.25 kg>s 2 a1 m2> >s

2

1 J>kg b 6.3 m s

W#

elctrico,entrada m#

aire ecsalida m#

aire

V 2salida2

Tasa de cambio en las energas internaTasa de transferencia de energaneta por calor, trabajo y masa cintica, potencial, etctera

dE sistema > dt 0 1permanente 2 0 S E# entrada E# salida E#entrada E

#salida

Aire

8 m/s Ventilador

FIGURA 2-48Esquema para el ejemplo 2-11. Vol. 0557/PhotoDisc

Objetivos Los objetivos del captulo 8 son:

Examinar el funcionamiento de mecanismos de ingenieraa la luz de la segunda ley de la termodinmica.

Definir exerga, que es el trabajo til mximo que se puedeobtener del sistema en determinado estado, en un ambienteespecificado.

Definir trabajo reversible, que es el trabajo til mximo quese puede obtener cuando un sistema pasa por un procesoentre dos estados especificados.

Definir la destruccin de exerga, que es el potencial trabajodesperdiciado durante un proceso, como resultadode irreversibilidades.

Definir la eficiencia de la segunda ley .

Desarrollar la ecuacin de balance de exerga. .

Aplicar el balance de exerga a sistemas cerrados y volmenes de control.

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Cada captulo contiene problemas de ejemploresueltos, del mundo real. Los autores usan unmtodo consistente para resolver problemas

y al mismo tiempo conservan su estilo deconversacin informal.

EJEMPLO 2-13 Costo anual de la iluminacin de un saln de clases

Para iluminar un saln de clases se utilizan 30 lmparas fluorescentes, cadauna con un consumo de 80 W de electricidad (Fig. 2.50). Las luces se man-tienen encendidas durante 12 horas al da y 250 das por ao. Para un costode electricidad de 7 centavos por kWh, determine el costo anual de energa yexplique los efectos que la iluminacin tendr sobre la calefaccin y el siste-ma de aire acondicionado del saln de clases.

Solucin Se piensa iluminar un saln de clases mediante lmparas fluores-centes. Se determinar el costo anual de la electricidad para iluminacin y seanalizar el efecto que sta tendr en la calefaccin y en el sistema de aireacondicionado.Suposiciones El efecto de las fluctuaciones de voltaje es insignificante por-que cada lmpara fluorescente consume su potencia nominal.Anlisis La potencia elctrica que consumen las lmparas cuando todas es-tn encendidas y el nmero de horas por ao que as se mantienen se expresa

Potencia de iluminacin (potencia que consume la lmpara) (nmerode lmparas)

(80 W/lmpara)(30 lmparas)

2 400 W 2.4 kW

Horas de operacin (12 h/da)(250 das/ao) 3 000 h/ao

Entonces la cantidad y el costo de la electricidad usada por ao es

Energa de iluminacin (potencia de iluminacin)(horas de operacin) (2.4 kW)(3 000 h/ao) 7 200 kWh/ao

Costo de iluminacin (energa de iluminacin)(costo unitario) (7 200 kWh/ao)($0.07/kWh) $504/ao

Las superficies absorben la luz que incide en ellas y sta se convierte en ener-ga trmica. Si se ignora la luz que escapa por las ventanas, los 2.4 kW de po-tencia elctrica que consumen las lmparas en algn momento se vuelvenparte de la energa trmica del saln, por lo tanto el sistema de iluminacinreduce los requerimientos de calefaccin en 2.4 kW, pero incrementa la cargadel sistema de aire acondicionado en 2.4 kW.Explicacin El costo de iluminacin para el saln de clases es mayor a $500,lo que demuestra la importancia de las medidas de conservacin de energa. Sise emplearan bombillas elctricas incandescentes, los costos de iluminacin secuadruplicaran, ya que este tipo de lmparas usan cuatro veces ms potenciapara producir la misma cantidad de luz.

600 kPa50C

0Cvapor sat.

R-134aCOMPRESOR

FIGURA P7-131

7-131 El compresor adiabtico de un sistema de refrigera-cin comprime vapor saturado de R-134a a 0C a 600 kPa y50C. Cul es la eficiencia isentrpica de este compresor?

Nuestro texto contiene casi 3.000problemas de tarea, de los cuales 700 sonnuevos en esta edicin. Los problemas defin de captulo se agrupan en temasespecficos para facilitar a profesores yalumnos su seleccin. Las respuestas aproblemas seleccionados apareceninmediatamente despus del problema,para comodidad de los alumnos.

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SUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE PARA EL ESTUDIANTE

DVD DE RECURSOS PARAEL ESTUDIANTE(Incluido sin costo en cada libro)

Los siguientes recursos se encuentran disponibles en elDVD de recursos para el estudiante:

Experimentos Fsicos de Termodinmica. El profesor Ronald Mullisen, del departamento deingeniera mecnica de la California PolytechnicState University, en San Luis Obispo, desarrollnueve experimentos fsicos de termodinmica. stosilustran directamente las propiedades, los procesos ylas leyes. Adems de estar totalmente integrados altexto a travs del uso de conos al margen, as comofotografas y problemas de tarea al final de cadacaptulo.

Los experimentos fsicos de termodinmica contienen:

Videos (~5 minutos) que examinan y describen cada experimento (con audio).Descripciones (~10 pginas) que ofrecen un pano-rama de los experimentos fsicos de la termodin-mica y que desarrollan el objetivo, la introduccin,los antecedentes histricos, el anlisis, el materialque se necesitar y las notaciones.Datos (archivo en Excel de una pgina) que permiten a los estudiantes reducir los datos y obtener resultados.Respuestas (disponibles en el sitio de Internet concontrasea de proteccin para uso exclusivo de losprofesores).

En cada experimento, los resultados finales se compa-ran con la informacin publicada. Muchos de los expe-rimentos proporcionan resultados que se encuentrandentro del 10 por ciento o un poco ms con respecto alos valores publicados.

EXPERIMENTO

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Gua interactiva de termodinmica.El profesor Ed Anderson del departamento de inge-niera mecnica de Texas Tech University cre unagua interactiva de termodinmica actualizada queest muy relacionada con el texto mediante conossituados al margen del mismo, indicando los puntosde la gua a los que los estudiantes puede remitirsepara estudiar con mayor profundidad los temas dif-ciles como entropa y la segunda ley de la termodi-nmica. sta es una excelente ayuda para que losestudiantes refuercen su aprendizaje acerca delos conceptos termodinmicos.

Engineering Equation SolverEl EES es un poderoso resolvedor de ecuaciones confunciones y tablas de propiedades integradas para laspropiedades de transporte y termodinmicas, as co-mo con la capacidad de verificar de manera autom-tica las unidades. Requiere de menos tiempo que lacalculadora para ingresar datos permitiendo as quese cuente con ms tiempo para el razonamiento crti-co del modelado y la resolucin de los problemas deingeniera. Busque los conos EES en las seccionesde tarea del texto.

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Visita guiadaSUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE PARA EL ESTUDIANTE

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Toda ciencia posee un vocabulario nico y la termodin-mica no es la excepcin. La definicin precisa de con-ceptos bsicos constituye una base slida para el desa-rrollo de una ciencia y evita posibles malas interpretaciones.Este captulo inicia con un repaso de la termodinmica y lossistemas de unidades y contina con la explicacin de algunosconceptos bsicos, como sistema, estado, postulado de esta-do, equilibrio y proceso. Tambin se analizan los trminostemperatura y escalas de temperatura con especial nfasis enla Escala Internacional de Temperatura de 1990. Posterior-mente se presenta presin, definida como la fuerza normalque ejerce un fluido por unidad de rea, y se analizan las pre-siones absoluta y manomtrica, la variacin de la presin conla profundidad y los instrumentos de medicin de presin, co-mo manmetros y barmetros. El estudio cuidadoso de estosconceptos es esencial para lograr una buena comprensin delos temas tratados en este libro. Por ltimo, se presenta unatcnica para resolver problemas, intuitiva y sistemtica, que sepuede usar como modelo en la solucin de problemas de inge-niera.

ObjetivosEn el captulo 1, los objetivos son:

Identificar el vocabulario especfico relacionado con la ter-modinmica por medio de la definicin precisa de concep-tos bsicos con la finalidad de formar una base slida parael desarrollo de los principios de la termodinmica.

Revisar los sistemas de unidades SI mtrico e ingls que seutilizarn en todo el libro.

Explicar los conceptos bsicos de la termodinmica, comosistema, estado, postulado de estado, equilibrio, proceso yciclo.

Revisar los conceptos de temperatura, escalas de tempera-tura, presin y presiones absoluta y manomtrica.

Introducir una tcnica intuitiva y sistemtica para resolverproblemas.

Captulo 1INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS

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2 | Introduccin y conceptos bsicos

1-1 TERMODINMICA Y ENERGALa termodinmica se puede definir como la ciencia de la energa. Aunque to-do mundo tiene idea de lo que es la energa, es difcil definirla de forma pre-cisa. La energa se puede considerar como la capacidad para causar cambios.

El trmino termodinmica proviene de las palabras griegas therme (calor) ydynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo ms descriptivo de los primeros es-fuerzos por convertir el calor en energa. En la actualidad, el concepto se in-terpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energa y sus transfor-maciones, incluida la generacin de potencia, la refrigeracin y las relacionesentre las propiedades de la materia.

Una de las ms importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es elprincipio de conservacin de la energa. ste expresa que durante una in-teraccin, la energa puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad to-tal permanece constante. Es decir, la energa no se crea ni se destruye. Unaroca que cae de un acantilado, por ejemplo, adquiere velocidad como resul-tado de su energa potencial convertida en energa cintica (Fig. 1-1). Elprincipio de conservacin de la energa tambin estructura la industria de lasdietas: una persona que tiene un mayor consumo energtico (alimentos) res-pecto a su gasto de energa (ejercicio) aumentar de peso (almacena energaen forma de grasa), mientras otra persona con una ingestin menor respectoa su gasto energtico perder peso (Fig. 1-2). El cambio en el contenidoenergtico de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la diferenciaentre la entrada y la salida de energa, y el balance de sta se expresa comoEentrada Esalida E.

La primera ley de la termodinmica es simplemente una expresin delprincipio de conservacin de la energa, y sostiene que la energa es una pro-piedad termodinmica. La segunda ley de la termodinmica afirma que laenerga tiene calidad as como cantidad, y los procesos reales ocurren haciadonde disminuye la calidad de la energa. Por ejemplo, una taza de caf ca-liente sobre una mesa en algn momento se enfra, pero una taza de caf froen el mismo espacio nunca se calienta por s misma (Fig. 1-3). La energa dealta 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 circun-dante.

Aunque los principios de la termodinmica han existido desde la crea-cin del universo, esta ciencia surgi como tal hasta que Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712 construyeron en Inglaterra las pri-meras mquinas de vapor atmosfricas exitosas, las cuales eran muy len-tas e ineficientes, pero abrieron el camino para el desarrollo de una nuevaciencia.

La primera y la segunda leyes de la termodinmica surgieron de forma si-multnea a partir del ao de 1850, principalmente de los trabajos de WilliamRankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin (antes William Thomson). El tr-mino termodinmica se us primero en una publicacin de Lord Kelvin en1849; y por su parte, William Rankine, profesor en la universidad de Glas-gow, escribi en 1859 el primer texto sobre el tema.

Se sabe bien que una sustancia est constituida por un gran nmero departculas llamadas molculas, y que las propiedades de dicha sustancia de-penden, 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 colocarle

Energapotencial

Energacintica

EP = 10 unidadesEC = 0

EP = 7 unidadesEC = 3 unidades

FIGURA 1-1La energa no se crea ni se destruye;slo se transforma (primera ley).

Salidade energa

(4 unidades)

Entradade energa

(5 unidades)

Almacenaje de energa(1 unidad)

FIGURA 1-2Principio de conservacin de laenerga para el cuerpo humano.

VASE TUTORIAL CAP. 1, SECC. 1, EN EL DVD.

TUTORIALINTERACTIVO

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Captulo 1 | 3

un medidor de presin al recipiente. Este enfoque macroscpico al estudiode la termodinmica que no requiere conocer el comportamiento de cada unade las partculas se llama termodinmica clsica, y proporciona un mododirecto y fcil para la solucin de problemas de ingeniera. Un enfoque mselaborado, basado en el comportamiento promedio de grupos grandes departculas individuales, es el de la termodinmica estadstica. Este enfo-que microscpico es bastante complicado y en este libro slo se usa comoapoyo.

reas de aplicacin de la termodinmicaEn la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interaccin en-tre la energa y la materia; por consiguiente, es difcil imaginar un rea que nose relacione de alguna manera con la termodinmica. Por lo tanto, desarrollaruna buena comprensin de los principios bsicos de esta ciencia ha sido duran-te mucho tiempo parte esencial de la educacin en ingeniera.

Comnmente la termodinmica se encuentra en muchos sistemas de inge-niera y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos para compro-bar esto. Por ejemplo, el corazn bombea sangre en forma constante a todonuestro cuerpo, diferentes conversiones de energa ocurren en trillones de c-lulas y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el am-biente. El confort humano tiene estrecha relacin con la tasa de esta emisinde calor metablico. Se intenta controlar esta transferencia de calor ajustandola ropa a las condiciones ambientales.

Existen otras aplicaciones de la termodinmica en el lugar que se habi-ta. Una casa ordinaria es, en algunos aspectos, una sala de exhibicin demaravillas producto de la termodinmica (Fig. 1-4). Muchos utensilios do-msticos y aplicaciones estn diseados, completamente o en parte, me-diante los principios de la termodinmica. Algunos ejemplos son la estufaelctrica o de gas, los sistemas de calefaccin y aire acondicionado, el refri-gerador, el humidificador, la olla de presin, el calentador de agua, la rega-dera, la plancha e incluso la computadora y el aparato de televisin. En unaescala mayor, la termodinmica desempea una parte importante en el dise-o y anlisis de motores automotrices, cohetes, motores de avin, plantasde energa convencionales o nucleares, colectores solares, y en el diseo detodo tipo de vehculos desde automviles hasta aeroplanos (Fig. 1-5). Loshogares que usan eficazmente la energa se disean con base en la re-duccin de prdida de calor en invierno y ganancia de calor en verano. Eltamao, la ubicacin y entrada de potencia del ventilador de su computado-ra tambin se selecciona tras un estudio en el que interviene la termodin-mica.

1-2 IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNIDADES

Cualquier cantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitu-des asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensionesbsicas, como masa m, longitud L, tiempo t y temperatura T se seleccionancomo dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como lavelocidad V, energa E y volumen V se expresan en trminos de las dimen-siones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones deri-vadas.

Calor

Ambientefro

20C

Cafcaliente

70C

FIGURA 1-3El calor fluye en direccin de latemperatura decreciente.

Colectoressolares

Aguacaliente

Intercambiadorde calor

Bomba

Regadera

Aguafra

Depsito de agua caliente

FIGURA 1-4El diseo de muchos sistemas deingeniera, como este sistema solarpara calentar agua, tiene que ver con latermodinmica.

VASE TUTORIAL CAP. 1, SECC. 2, EN EL DVD.

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Con el paso de los aos se han creado varios sistemas de unidades. A pesarde los grandes esfuerzos que la comunidad cientfica y los ingenieros han he-cho para unificar el mundo con un solo sistema de unidades, en la actualidadan son de uso comn dos de stos: el sistema ingls, que se conoce comoUnited States Customary System (USCS) y el SI mtrico (de Le Systme In-ternational d Units), tambin llamado sistema internacional. El SI es un sis-tema simple y lgico basado en una relacin decimal entre las distintas uni-dades, y se usa para trabajo cientfico y de ingeniera en la mayor parte de lasnaciones industrializadas, incluso en Inglaterra. Sin embargo, el sistema in-gls no tiene base numrica sistemtica evidente y varias unidades de estesistema se relacionan entre s de manera bastante arbitraria (12 pulgadas 1pie, 1 milla 5 280 pies, 4 cuartos 1 galn, etc.), lo cual hace que elaprendizaje sea confuso y difcil. Estados Unidos es el nico pas industriali-zado que an no adopta por completo el sistema mtrico.

Los esfuerzos sistemticos para desarrollar un sistema de unidades univer-sal aceptable datan de 1790 cuando la Asamblea Nacional Francesa encarg ala academia francesa de ciencias que sugiriera dicho sistema de unidades.Pronto se elabor en Francia una primera versin del sistema mtrico, perono encontr aceptacin universal hasta 1875 cuando 17 pases, incluido Esta-dos Unidos, prepararon y firmaron el Tratado de Convencin Mtrica. En es-

FIGURA 1-5Algunas reas de aplicacin de la termodinmica.

Unidad de aire acondicionado, refrigerador, radiador, The McGraw-Hill Companies, Inc./Jill Braaten, fotgrafo; avin: Vol.14/PhotoDisc; humanos: Vol. 121/PhotoDisc; planta de energa: Corbis Royalty Free.

Cuerpo humano Sistemas de acondicionamientode aire

Aviones

Radiadores de automviles Plantas de energa Sistemas de refrigeracin

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Captulo 1 | 5

te acuerdo internacional se establecieron metro y gramo como las unidadesmtricas para longitud y masa, respectivamente, adems de establecerse queuna Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) se reuniera cada seisaos. En 1960, la CGPM produjo el SI, el cual se basa en seis cantidades fun-damentales, cuyas unidades se adoptaron en 1954 en la Dcima ConferenciaGeneral de Pesos y Medidas: metro (m) para longitud, kilogramo (kg) paramasa, segundo (s) para tiempo, ampere (A) para corriente elctrica, gradoKelvin (K) para temperatura y candela (cd) para intensidad luminosa (canti-dad de luz). En 1971, la CGPM aadi una sptima cantidad fundamental yunidad: mol (mol) para la cantidad de materia.

Con base en el esquema de notacin introducido en 1967, el smbolo degrado se elimin en forma oficial de la unidad de temperatura absoluta, y to-dos los nombres de unidades se escribiran con minscula incluso si se deri-vaban de nombres propios (tabla 1-1). Sin embargo, la abreviatura de unaunidad se escribira con mayscula si la unidad provena de un nombre pro-pio. Por ejemplo, la unidad SI de fuerza, nombrada en honor a Sir Isaac New-ton (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 abreviatu-ra. Por ejemplo, la longitud de un objeto puede ser 5 m o 5 metros, no 5 ms o5 metro. Por ltimo, no se usar punto en abreviaturas de unidades a menosque aparezcan al final de un enunciado. Por ejemplo, la abreviatura apropiadade metro es m (no m.).

En Estados Unidos, el reciente cambio hacia el sistema mtrico empez en1968 cuando el Congreso, en respuesta a lo que estaba sucediendo en el res-to del mundo, aprob un Decreto de estudio mtrico. El Congreso continucon este impulso hacia un cambio voluntario al sistema mtrico al aprobar elDecreto de conversin mtrica en 1975. Una ley comercial aprobada en1988 fij el mes de septiembre de 1992 como plazo para que todas las agen-cias federales pasaran al sistema mtrico. Sin embargo, los plazos se relaja-ron sin establecer planes claros para el futuro.

Las industrias con una participacin intensa en el comercio internacional (co-mo la automotriz, la de bebidas carbonatadas y la de licores) se han apresuradoen pasar al sistema mtrico por razones econmicas (tener un solo diseo mun-dial, menos tamaos e inventarios ms pequeos, etc.). En la actualidad, casitodos los automviles fabricados en Estados Unidos obedecen al sistema mtri-co. Es probable que la mayor parte de los dueos de automviles no se perca-ten sino hasta que utilicen una llave con medida en pulgadas sobre un tornillomtrico. No obstante, la mayor parte de las industrias se resisten al cambio, locual retrasa el proceso de conversin.

En la actualidad, Estados Unidos es una sociedad con doble sistema y per-manecer as hasta que se complete la transicin al sistema mtrico. Estoagrega una carga extra a los actuales estudiantes de ingeniera, puesto que seespera que retengan su comprensin del sistema ingls mientras aprenden,piensan y trabajan en trminos del SI. Dada la posicin de los ingenieros enel 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. Losprefijos usados para expresar los mltiplos de las distintas unidades se enu-meran en la tabla 1-2, se usan como estndar para todas stas y se alienta alestudiante a memorizarlos debido a su uso extendido (Fig. 1-6).

TABLA 1-1Las siete dimensionesfundamentales (o primarias) y susunidades en el SI

Dimensin Unidad

Longitud metro (m)Masa kilogramo (kg)Tiempo segundo (s)Temperatura kelvin (K)Corriente elctrica ampere (A)Cantidad luminosa candela (cd)Cantidad de materia mol (mol)

TABLA 1-2Prefijos estndar en unidades SI

Mltiplos Prefijo

1012 tera, T109 giga, G106 mega, M103 kilo, k102 hecto, h101 deca, da101 deci, d102 centi, c103 mili, m106 micro, m109 nano, n1012 pico, p

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Algunas unidades SI e inglesasEn el SI, las unidades de masa, longitud y tiempo son kilogramo (kg), me-tro (m) y segundo (s), respectivamente. Las unidades correspondientes en elsistema ingls son libra-masa (lbm), pie (ft) y segundo (s). El smbolo de li-bra lb es en realidad la abreviatura de libra, la cual era en la antigua Romala unidad para peso. El sistema ingls mantuvo este smbolo incluso des-pus 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 smediante

En el sistema ingls, la fuerza es considerada comnmente como una de lasdimensiones primarias y se le asigna una unidad no derivada. Esto es unafuente de confusin y error que requiere el uso de una constante dimensional(gc) en muchas frmulas. Para evitar esta molestia, se considera a la fuerzacomo una dimensin secundaria cuya unidad se deriva de la segunda ley deNewton, es decir,

Fuerza (masa)(aceleracin)

o

(1-1)

En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se define como la fuerza re-querida para acelerar una masa de 1 kg a razn de 1 m/s2. En el sistema in-gls, la unidad de fuerza es la libra-fuerza (lbf) y se define como la fuerzarequerida para acelerar una masa de 32.174 lbm (1 slug) a razn de 1 ft/s2

(Fig. 1-7). Es decir,

Una fuerza de 1 N equivale aproximadamente al peso de una manzana pe-quea (m 102 g), mientras que una fuerza de 1 lbf es equivalente a ms omenos el peso de cuatro manzanas medianas (mtotal 454 g), como se ilustraen la figura 1-8. Otra unidad de fuerza de uso comn en muchos pases euro-peos es el kilogramo-fuerza (kgf), que es el peso de 1 kg de masa al nivel delmar (1 kgf 9.807 N).

El trmino peso con frecuencia se usa de modo incorrecto para expresarmasa, en particular por los weight watchers. A diferencia de la masa, el pe-so W es una fuerza: la fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo, y su magni-tud se determina a partir de la segunda ley de Newton,

(1-2)

200 mL(0.2 L)

1 kg(103 g)

1 M

(106 )

Termodinamica- Cengel

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