r J- J;.

./f

G~-

Factores de COtWeF'Sfnesactos entle las I,Jl'lldades mtueas e Ina1es.ilS.'ti c:atorra se (lefiM Originalmente como la cantidad de calOf requerida !)ara aumentar 1fe la ltmpe,atuf3 de 1 g de gua, perO esta ...acla con la tenperetora.la calOlia ele 13tabla de vapor internacional {IT}, generalmente pretenda POf los mgen-ercs. es exactamente 4.1868 J por detln,tl(ln y collesponCle al ('.ato,tspe(lhco del ag\la i lStt, La C310na termoquimica. por lo ~oeral preferida por los tlSICOS.es exactameme 4.184 J por dehnlcln y COHespo.nde al calorespecifico del agua a tmpct31ura ambIente. La dlterencia entre 13Sdos es apr~imadamente O 06 por ciento. 60cual es despreciable. la Calorla con njealmayUsc:ula utilizada por los nutr$610g0Sen rtjltdad e$ una IdlocalOfla (1000 CiIOclas IT).

1BtullbmF = 4.1868 kJlkg. c1 Btullbmol . R = 4.1868 kJ/kmol. K1 kJlkg . C = 0.23885 Btullbm . 'F

= 0.23885 Btullbm . R

1 m 39.370 in = 3.2808 It = 1.0926 yd1 fl - 12 In .0.3048' m1milla. 5280 It = 1.6093 km1 in = 2.54* cmI kg - 2.2046226 Ibm1 Ibm = 0.45359237" kglanza = 28.3495 g1 slug = 32.174 Ibm - 14.5939 kg1 ton corta - 2000 Ibm - 907.1847 kg1 kW= 3412.14 SW/h

= 737.56 Ibl . IlIs1 hp = 550 Ibl . IlIs e 0.7068 SI,,!S

= 42.41 Stu/mlO= 2544.5 Stu/h= 0.74570 kW

1 hpde caldera= 33.475 Stu/h1 Blulh = 1.055056 kJIh1 tonde relngeracin 200 Btu/min1 Pa = 1.4504 x JO-' psia

= 0.020885 Ibflfl'1 PSl= 144 Ibl/lt' = 6.894757 kPaI atm = 14.696 psia = 29.92 ,n Hga 30'F1 ,n Hg= 3.387 kPa

1Pa- 1 N/m'1 kPa= lO' Pa = JO-3MPa1atm 101.325 kPa = 1.01325 bars

= 760 mmHga o'e= 1.03323 kgflcm'

1mm Hg= 0.1333 kPa1 kJ/kg c - 1 k,J1kg . K - 1 J/g. c

1 lcm' = 62.4281bmlft' = 0.036127 Ibm/in'I Ibrnlin' = 1728 Ibmlfl'I kg/m' 0.062428 Ibmlf!'1 kJ = 0.94782 Btu1 Slu = 1.055056 kJ

5.40395 psra- ttJ = 778.169 Ibt fIISlu/lbm - 25.037 tl'ls' = 2.326' kJ/kg1 kJlkg= 0.430 Slunbm1 kWh= 3412.14 Sto1 lermia = 10' atu = 1.055 x lOSk,J(gasnaturan

1N = 0.22481 Ibl1 Ibl = 32.174Ibm IUs' = 4.44822 NI '111m'= 0.3171 Stu/h fI'I '111m'. 'C 0.17612 Stulh . fI' . 'F

1mis' = 3.2808 1115'I tUs' = 0.3048* mis'1m' = 1550 in' = 10.764 ft'1 ft' = 144 ,n' = 0.09290304" m'

IW=IJls1 kW = 1000 W = 1.341 hp1 hp' = 745.7 W

lkg=JOOOg1 toneladamlrica = 1000 kg

1m = 100 cm = 1000 mm. lOS ",m1 km = 1000 m

1N = 1 kg . mis' lO' oma1 kgf - 9.80665 N1W/cm2= 10' W/m'1W/m' . C = 1W/m' . K

1 kJ = 1000 J = 1000 N .m = 1 kPa. m'1 IJ1

R. - 8.31447 kJl1

r

IERMODINMICA

MXICO BOGOT. BUENOSAIRES CARACAS. GUATEMALALISBOA MADRID. NUEVAYORK SAN JUAN. SANTIAGO

AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVADELHISAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS. SIDNEY TORONTO

Revisin tcnica

Sofa Faddeeva Sknarina1/lSIIIIIIO Iecnotoeico v de J:',\lIIdi05 Supcriore de Montcrrev

Campus Estado de Mcxic

MICHAEL A. BOLESNorth Carolina Sta/e University

YUNUS A. ~ENGELUniversity of Nevada. Reno

SEXTA EDICiN

,IERMODINAMICA

....l MeGrQw HIII(vmpa'lt~

Printed in ~fexiC(lP,imcd by Programas Educalh'OS S..\_ de C.V,

Impreso en ~1lxtroImpreso por Programas EdIJl.....~l\O'ISA de C.V.

087654321091234567890

Traducido de la sexta edicin de: Thermodynamics, An EngineeringApproach. Copyright 1989,1994.1998,2002.2006, and 2008 byThe McGraw-HilI Companies.Tnc. AlI rights reserved, ISBN 978-0-07-352921-9

IS8N 978-970-10-7286-8OSBN 970-10-561 1-6 edicin anterior)

DERECHOS RESERVADOS 1{) 2009 respecto a la sexta edicin en espaol por:VlcGRAW-HILUINTERAMERICANA EDITORES. S.A. DE C. V.ti Subsidiary of The McGraw-HlI Companies. lile.

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

Educacin

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

TERMODINMICA$t>XIJl edicin

Director Higher Educarion: Miguel ngel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo A. del Bosque AlaynCoordinadora editorial: Marcela 1. Rocha MartnezEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezEditora de desarrollo: Ana L. Delgado RodrguezSupervisor de produccin: Zcferino Garca GarcaTraduccin: Virgilio Gonzlez y Pozo I Sergio M. Sanniento

Cuando llamas misteriosa a una cosa significaque no la has comprendido.

Lord Kelvin

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

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

TremeA dlson

Un hbito es como un cable. tejemos un hilo de l todos los dasy al final no podemos romperto.

HoraceMann

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

ya que el respeto engendra confianza.Jerome W6idman

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

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

Anafe/e France

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

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

SauJ Nursi

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

Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones.Albert E,nstetn

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

Samuel Jaekson

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 filesoffa.Ni sus tuberas ni sus teoras conservarn e! agua.

Jorm Garr;lner

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

xYunus A. Cengel 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 Srare Universiry, Sus reas de invesrigacin 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

xi

TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURASy DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) I 953

"),0 l-'. ~

,,': "Il~';IABLAS DE PROPIEDADES, FIGURASY DIAGRAMAS (UNIDADES SI) J 903

flUJO COMPRESIBLE , 843

~::c 1., ...~, 6EQUILIBRIO QUMICO y DE FASE I 811

..;Pltl Ir) 1JREACCIONES QUMICAS I 767

( '" IIlLil LMEZCLAS DE GAS-VAPORy ACONDICIONAMIENTO DE AIRE I 731

MEZCLAS DE GASES I 695

RELACIONES DE PROPIEDADESTERMODINMICAS I 663

.cCICLOS DE REFRIGERACiN I 617

CONTENIDO BREVE

CICLOS DE POTENCIA DE VAPORy COMBINADOS I 561

CICLOS DE POTENCIA DE GAS I 493

EXERGA: UNA MEDIDA DEl POTENCIALDE TRABAJO I 429

ENTROpA 333

\.. I oLA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA I 281

r- ,_...,::5ANLISIS DE MASA Y ENERGfA DE VOLMENESDE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) I 221

..;1 1ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMASCERRADOS I 165

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIASPURAS I 111

ENERGjA, TRANSFERENCIA DE ENERGjAY ANLISIS GENERAL DE LA ENERGA I 51

L __

INTRO~UCCiN Y CONCEPTOS BSICOS I 1

xiii

2- I Introduccin 522-2 Formas de energa 53

Algunas consioerecones tf.slI::as en relacincon la energfa Intema 55

Ms sobre energia nuclear 56Enetgiamecnica 58

2-3 Transferencia de energa por calor 60AntecedenteshlSIOncossobre el calor 61

2-4 Transferencia de energtu por trabajo 62Trabajoelclnco 65

~-5 Formas mecamcas del trabajo 66Trabajode flecha 66Trabajode resorte 67TrabajOhecho SObrebarrasslidaselsticas 67TrabaJO relacJOnado con el esnramento

de una pelicula NqUlda 68TrabaJOhecho para eleva! o aceerar un cuerpo 68Formas nomecnicas del trabajo 69

2-6 La primera le) de ta tcrmodinmica 70Balancede energa 71Cambio de ener8la de un SIstema.~E,;""", 72MecanIsmos de transfe(encla de energJa.

c,....,.y ... ..,. 732-7 Eficiencia en IJ conversin de energa n

EftCtencla de dISpositiVOS mecancos 'i e.ctnoos 82

2-8 Energa) ambiente 86Ozonoysmog 87Uuvia cK1a SSEfecto Invernadero-catentamento glObal

y camoc chma!co 89Temade Inlers especial.Mecanismosde transferencia de calor 92Resumen 96ReferenciaS y lecturas recomendadas 97Problemas 98

C8o~ulo2ENERGA. TRANSFERENCIA DE ENERGA y ANLISISGENERAL DE ENERGA I 51

Resumen 39Referencaasy le

t, l Intr 'du~" jt 'n a la ~e~und.. le) ~S~6..2 Dlpf\~lh.l'de encrgl.l ternuca 11 di posmvo- de mgenierfade 1 u O e -tac roeano 235t Tot>e espec';;os

de gasa ~es 1821,.,( .. I terna. e-J'alPI'.I ) calorcespecficos d. ,,,lrd he 1181 o.a,,~ma T__ 1182 o.ai1~maP v 120Amplac1n de leS ~mas pararnc1" r " t_

sI4) 1213 Oo.Ir;JmJ P T 124Suporte", P v-t 125

8-1 Exelgla: potencial de trabajo de la energa .J30.""rSla (polenclal de "abaJo) asooaco

con la energla cinbca y potenc,,' 431g-2 Trabajo reversible e irreversibilidad ..JJ3

11-3 Eficiencia segn la ,c;undu lev, 7)" -1,88-4 Cambio de exergra 7-(> iQU es la entropa I .'~8

la entropa y t.generaclrl de entrop.a en laVida diana 3507- 7 La, relacione; r dv 3527-11 Cambio de emropia de liqUIdo, y slido, '>537-li Cambio de entropa de gase-, idealc- 356

C3jO(es especificas coostantes (an.1lrSls apronmado) 357calOres especificas vana bies (anhS>5exacto) 358Proceso IsentrPICO de gases ideales 360

Cap:010 7ENTROPA I 333

(>,11

(>,869(>,10

(>-7

305

Procesos reversibte-, e irrevervible-,IrreverSiblhdades 299Procesos interna y externamente reversIbleS

El ciclo de Carnot 301Ciclode Carnetmverso 303Princlpros de Curnot 303E~tala termodinmica de ternpcraruruLa mquina trmica 3dlana 310

El retngerador de Carnor) 1.1bomba de ealor 3I ITemade inters especial. Refrigeradoresdomsticos 313Resumen 317ReferenciaS'ilecturasrecomen(Jadas 318Problemas 318

(>S6-6

6-1 Maquma, termicu- 284EhcoencoalrmICa 285,Es posible anorrar Q,.dCol? 287la segun

111 Refrigeradores y bombas de calor 61811-2 El ciclo invertido de Carnot 61911-3 El ciclo ideal de refrigeracin

por compresin de vapor 62011-4 Ciclo real de refrigeracin

por compresin de vapor 62411-5 Seleccin del refrigerante adecuado 626116 Sistemas de bombas de calor 62811 7 Sistemas innovadores de refrigeracin

por compresin de vapor 630Sistemas de refrigeracin en cascada 630Sistemas de refngeracin por compresiOn

de mltiplesetapas 633

Captulo 11CICLOS DE REFRIGERACiN I 617

101 El ciclo de vapor de Carnot 56210-2 Ciclo Rankine: el ciclo ideal para

los ciclos de potencia de vapor 563Anlisisde energadel cicloRankllleideal 564

103 Desviacin de los ciclos de potencia de vaporreales respecto de los idealizados 567

I04 Cmo incrementar la eficienciadel ciclo Rankine? 570Reduccin de la presin del cosoensaoor

(reduccinde T_".,.,> 570SobreCc,emenlo eJeT,,,,,,,,,,,) 571Incrementode lapresinde la caldera

(Incrementode T... ""m) 57110-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 57410-6 El ciclo Rankine ideal regeneratvo 578

Caientadores abiertos de agua de alimentacin 578Calentadorescerrados de agua de alimentaciOn 580

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

108 Cogeneracin 588

109 Ciclos de potencia combinadosde gas y vapor 593Temade inter.sespecial. Ciclos binarios de vapor 596Resumen 599Referencias y lectutas recomendadas 599Problemas 600

Captulo 10CICLOS DE POTENCIA DE VAPORY COMBINADOS I 561

91 Consideraciones bsicas para el anlisisde lo; ciclos de potencia 494

92 El ciclo de Carnot y su valoren ingeniera 496

9-3 Suposiciones de aire estndar 49894 Breve panorama de las mquinas

reciprocantes 4999-5 Ciclo de Otro: el ciclo ideal para las mquinas

de encendido por chispa 5009-6 Ciclo diesel: el ciclo ideal para las mquinas

de encendido por compresin 50697 Ciclos Stirling y Ericsson 50998 Ciclo Brayton; el ciclo ideal para los motores

de turbina de gas 513DesarrollOde lasturbinasde gas 516Desviacoode losccies realesde turbonade gas

en comparacoocon tos ,dealiZadOS5199-9 Ciclo Brayton con regeneracin 5219-10 Ciclo Brayton con nrerenfriamienro,

recalentamiento y regeneracin 5239-11 Ciclos ideales de propulsin

por reaccin 527MOdificacionesparamoto

15-1 Combustibles y combustin 76815-2 Procesos de combustin terica y real 77215-3 Entalpa de formacin y entalpa

de combustin 77815-4 Anlisis de sistema, reactivos con base

en la primera ley 781Sistemas de nujo eslacionano 781Sistemascerrados 783

15-5 Temperatura de flama adiabtica 78615-6 Cambio de entropa de sistemas reactivos 78915-7 Anlisis de sistemas reactivos con base

en la segunda ley 791Temade inters especial. Celdasde combustible 196Resumen 798Referenaas y lecturas recomencacas 799Problemas 799

Captulo 15REACCIONESQUIMICAS I 767

14-) Aire seco y aire atmosfrico 73214-2 Humedad especfica y reluriva del aire 7331+3 Temperatura de punto de roco 73514-4 Temperaturas de saturacin

adiabtica y de bulbo hmedo 73714-5 La cana psicromtrica 74014-6 Comodidad humana y acondicionamiento

de aire 7411+7 Procesos de acondicionamcnto de aire 743

Calentamiento Y enfnamlento simples (o> ~ constante) 744Calentamiet1toCon humidificaCl6n 745Enfriamiento con deshumldrflCacin 746'Enfriamlerrtoevaporativo 748Mezclado adiabtico de uios de aire 749Totresde enfiiamiento hmedo 751Resumen 753Referencias y lecturas recomendadas 755Problemas 755

Captulo 1,1MEZCLAS DEGAS-VAPORy ACONDICIONAMIENTO DE AIRE I 731

Temade inters especial. Potencialquimicoy el trabajo de separacin de mezclas 111Resumet1 722Referencias y lecturas recomendadas 723PlobIemas 723

Contenido xvii

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

13-2 Comportamiento P-v-Tde mezclasde gases: gases ideales y reales 69HMezclas de gases ideales 699Mezclas de gases reales 699

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

Cap":uJo 13MEZCLAS DEGASES I 695

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

12-2 Relaciones de MaxweU 66812-3 La ecuacin de Clapeyron 67012--1 Relaciones generales para du, dh, ds,

cvY(j, 673Cambios en la enerafa mtema 673Cambios de emalpla 674Cambios de entropla 675Calores especificas c.y c. 676

12-5 El coeficiente Joule-Thomson 68012-6 Las Ah. AIIy _h de gases reales 681

cambios en la enlalpla de gases reales 682Cambios de enerafa intema de gases ideales 683Cambios de et1traplade gases reales 683Rosomen 686ReferencIa>y lecturas recomendadas 687Problemas 687

CaptulO 12RELACIONES DE PROPIEDADESTERMODINMICAS I 663

SIStemas de refrigerocf1de ",opOOito miAbplecon un solo compresor 635

licuefaccIn de gases 63611-8 Ciclos de refrigeracin de gas 63811-9 Sistemas de refrigeracin

por absorcin 641Temade inters especial. Sistemasterrnoetctrlccsde generacinde potenciay de retrigeracin 644Resumen 646Referencias y lecturas recomendadas 647PrOOIemas647

Fiura A-14 Diagrama P-/ para elrefrigerante 1343 927

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

Tabla A-16 Propiedades de la atmsfera a granaltitud 929

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

Nz 932Tabla A-19 Propiedades de gas del oxgeno,

O2 934Tabla A-20 Propiedades de gas ideal del dixido

de carbono, COl 936Tabla A-21 Propiedades de gas ideal del monxido

de carbono, CO 938Tabla A-22 Propiedades de gasideal del hidrgeno,

H2 940Tabla A-23 Propiedades de gas ideal del vapor

de agua, HzO 941Tabla A-24 Propiedades de gas ideal del oxgeno

monoatmieo, O 943Tabla A-25 Propiedades de gas ideal del hidroxilo.

OH 943

17-1 Propiedades de estancamiento 84417-2 Velocidad del sonido y nmero

de Mach 84717-3 Aujo isentrpico unidimensional 849

VariaCin de la velocidad del fluido con el areadeflujo 852

RelacioneS de propiedades parael nuJoisentrtjcode gases ideales 854

17-4 Flujo isenrrpico a travs de toberasaceleradoras 856Toberas aceleradoras coovergentes 856Toberas convergentes-divergenles 861

17-5 Ondas de choque y ondasde expansin 865Choques normales 865Oloques obcuos 872Ondas expansivas de PrandUMeyer 876

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

de Ray!oligh 886Flujo de Rayteqtl bloqueado 887

17-7 Toberas de vapor de agua 889Resumen 892Referencias y lecturas recomendadas 893PrOblemas 894

CaptulO 17flUJO COMPRESIBLE I 843

Figura A-9Figura A-lO

Tabla A-7Tabla A-8

Tabla A-6Tabla A-5

Tabla A-4

Tabla A-3

Tabla A-2

Tabla A-l16-1 Criterio para el equilibrio qumico 81216-2 La constante de equilibrio para mezclas

de gases ideales 814

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

16-4 Equilibrio qumico para reaccionessimultneas 822

16-5 Variacin de Kp con la temperatura 82416-6 Equilibrio de fase 826

Equilibrio de fase para un sistema de un solocomponente 826

La regla de fases f5l7Equilib

(ntee 995

Tabla A-6E Vapor de agua scbrecaleruado 964Tabla A-7E Agua liquida comprimida 968Tabla A-8E Hielo saturado. Vapor de agu. 969Figura A-9E Diagrama T-s paro el agua 970Figura A-IOE Diagrama de Mollier XUU el agua 971Tabla A-ll E Refrigerante 134a saturado. Tabla

de temperatura 972Tabla A-12E Refrigerante 1343 saturado, Tabla

de presin 973Tabla A-13E Refrigerante 134.lsobrecajentudo 974Fillura A-14E Diagrama P-II para refrigerante

U-Ia 976Tabla A-16E Propiedades de 1:. atmsfera a gran

altitud 977Tabla A-17E Propiedades de gas ideal del aire 978Tabla A-18E Propiedades de gas ideal del nitrgeno,

N2 980Tabla A-19E Propiedades de gas ideal del oxigeno.

O, 982Tabla A-20E Propiedades de gas ideal del dixido

de carbono. CO2 984Tabla A-21 E Propiedades de gas ideal del monxido

de carbono, CO 986Tabla A-22E Propiedades de gas ideal del hidrgeno.

H, 988Tabla A-23E Propiedades de gas ideal del vapor

de agua. HO sssTabla A-26E Emalpa de formacin. funcin de Gibb.

de formacin> entropa absoluta a 77C,1atrn 991

Tabla A-27E Propiedades de alguno> combusublese hidrocarburos comunes 992

Figura A-31 E Grfica psicrometrica a 1 aunde pre,in 10lal 993

Contenido xix

Tabla A-I E Musumolar, convanre de g'" ypcopiedade' del punto critico 954

Tabla A-2E Calores especfico, de ga, idealde ,"fio>gases comunes 955

Tabla A-3E Propiedades de lquido, >lido"y alimcntoe comunes 958

Tabla A-4E Agua saturada, Tabl3de tempenuurilS 960

Tabla A-SE Agua suturada,Tablade presiones 962

Apndice 2TABLASDE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS(UNIDADES INGLESAS) I 953

Tabla A-26 Enlnlpla de formacin, funcin de Gibbsde formacin y enlropio ubsohaa a 25C,I aun 9-14

Tabla A-27 Propiedades de algunos combustiblese hidrt>

~ ----------------------------------~-

xxi

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

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

Conduzca a los estudiantes hacia una comprensin clara y un conoci-miento finne de los principios bsicos de la termodinmica.Fomente el pensamiento crebti,'o )' el desarrollo de una compresinms profunda y !In conocimiento intuitivo sobre la materia.

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

FILOSOFA Y OBJETIVO

Esta obra est pensada para ser utilizada por los estudiantes como libro deteXIOdurante los ltimos aos de su licenciatura)' 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 ingenierta con la

finalidad de proporcionar al estudiante una idea de cmo se aplica latermodinmica en la prctica de la ingeniera.

Desarrollar una comprensin intuitiva de la termod nmica haciendonfasis en la fsica y en los argumentos sicos.

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

OBJETIVOS

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 transpone, 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.

ANTECEDENTES

PREFAClO _

tNFASIS EN LA FlslCAUna caracterstica distintiva de este libro es el nfasis en los aspectos ffsicosdel tema, adems de las representaciones y manipulaciones. Los autorescreen que el nfasis en la educacin de licenciatura debe ser desarrollar Uflsentido de los mecanismos ftsicos subyacentes, y un dominio de soucin de

MAS 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.

PRESENTACiN TEMPRANA DE LA PRIMERALEY 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.

Todas 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.

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 de) 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 hall alcanzado en bue-na parte. Nuestra flosotTaha 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 grao 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 Ingenierta.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.

xxii Prefacio

LO NUEVO EN ESTA EDICiN

NUMEROSOS EJEMPLOS DE EJERCICIOS CON UN PROCEDIMIENTOSISTEMATlCO PARA RESOLVERLOScada captulo contiene varios ejemplos de ejercicios que esclarecen el mato-riaI e ilustran el uso de los principios bsicos. En la resolucin de los proble-mas de ejemplo se utiliz un enfoque intuitivo)' 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

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 IMAGENESLas 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 COIDO Lorenzo Parachoques, de la tira cmica "Lorenzoy Pepita") se usa para resaltar con humor algunos puntos clave, as corno 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 fmal de cadacaptulo se incluye Ull resllmen que proporciona una revisin rpida de losconceptos bsicos y relaciones importantes enfatizando la importancia delmaterial.

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 fisico y con frecuencia se reai-:all similitudes entre el tema en cuestin y las experiencias diarias de losestudiantes, de modo que puedan relacionar la materia estudiada con )0 quesaben de antemano. El proceso de cocinar. por ejemplo, sirve corno un exce-lente vehculo para demostrar los principios bsicos de la termodinmica.

Prefacio xxiii

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 UD 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 FislCAMENTE 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.

UNA GRAN CANTIDAD DE PROBLEMAS REALESAl 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 especificade determinado captulo (en algunos casos requieren la revisin del materialque se aprendi en los captulos anteriores). Los del aparrado 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 identicadoscon 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 OVO anexo al libro.Los problemas marcados con el Iconoal son de naturaleza ms completa yestn diseados para resolverse por meen;; 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 20(0) Ypara 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 capitulo. Dichos problemasestn identificados bajo el ttulo Problemasparo el examensobrefundamentosde ingenierta (El) a fin de que sean reconocibles fcilmente. El objetivo deestos problemas es verificar la comprensin de los fundamentos y ayudar a 105lectores a evitar que incurran en errores comunes.

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 calculadom. Una vez que se llega a la solucin, se anali-za el significado del valor que se obruvo. Este mtodo se utiliza tambin de IM-nera consistente en las resoluciones que se presentan en el manual derespuestas del profesor.

xxiv Prefacio

FACTORESDE CONVERSiNLos factores de conversin y las constantes fsicas de uso frecuente se listanen las pginas de las cubienas interiores del texto para que sean una referen-cia fcil de usar.

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

TEMAS DE INTER~S ESPECIALLa mayora de los captulos contienen una seccin llamada "rema de intersespecial", en la que se analizan algunos aspectos interesan les 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-1M cotidianos d la segunda ley. del 8. y Ahorro de combustible )' dinero almanejar sensatamente. del captulo 9. Los temas seleccionados para esta sec-cin ofrecen extensiones verdaderameme intrigantes sobre termodinmica;sin embargo, si se desea pueden omitirse sin que esto represente una prdidade continuidad.

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 $1como inglesas, haciendo nfasis en el SI. El contenido se puede cubrir usan-do la combinacin de unidades $1 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 linalidad de que sea sencillo reconocerlos; asimismo. los usua-rios del sistema $1 pueden ignorarlos sin ningn problema.

Estas relaciones reafirman que durante un proceso real la masa y la energa seconservan. la entropa se genera y la excrga 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 posterioresu medida que los estudiantes van adquiriendo un mayor dominio.

1'rlfldc:rc:n.:,nfo1d~\.tf&.Oo1 ~('iMpor .:aI"". U'lIbtjlt- rm~ dt ~UIIV"..

TI'atr!.~lancudtc:nwpI'~ Ccn",~I'IpxealOJ,lnibll.;o,.~ fflIlQP'C:l

Balance de emropia: St:nfr.ld;- Suhllla + S:tn = dS)~III~-TtllOllf'f"'Il neIs de ~ CMllbIo.\~ t1""tf"" itItMU..

.... ~. 1r1ltlljC) m~ clnlica,pcoetICW, (~.

Balance de energla:

Balance de ItUlSO:

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

xxvPrefacio

Experimentos fsicos de termodinmica: Una caracterstica nueva de estaedicin es la inclusin de experimentos fisicos 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 l. 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.stOScubren 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 paro reducir los daros y obre-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 recurosos 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 3 fondo temas especficoscomo el balance de energa y los procesos Isentrpicos.

Eogineering Equation Solver (EES): Desarrollado por Sanford Klein y Wi-lliam Beckman, de University of Wisconsin-Madison, este programa combinala capacidad de resolver ecuaciones y lOSdatos 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.

OVO OE 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 flsicos de ter-modinmica, una gua interactiva y el software EES.

Los siguientes suplementos se encuentran disponibles para quienes esmdancon este libro.

SUPLEMENTOS

xxvi Prefacio

Yunos A. C;engelM.ichaeJ A. Boles

Sus sugerencias ayudaron mucho a mejorar la calidad de este texto, En par-ticular quisiramos expresar nuestra gratitud Q Mehmel Kanogtu, de Univer-sily 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. Zebra ,_Nortltridgt>

Roben Spn1IUroltSrQ~U.n,ml)

Israel UriclimilO Ulli\tnit),

Jerre M.11ilJUlf,,,~nllyof Nonit CQrolilt(l-(1torloll~

Knmran SiddiquiCUfJ(on/u, U,u"~rJtty

Daniel K. HarrisAubNrn UnJ\"CTSIIy

Brian SavilonisUVI't't'.)'lff Pvl.l't,chnlr Insl;tute

Afshin J. GhajarOl/ah{)Jm, SIU/~u,,;.'trSil)'

Subrata RoyKllttrln$ Unl'+tf3it)1

Gloria D. BlliouUnlvr,.Jlry lNo"''' Corvlina-CMrlcJllt

Laurent Pilon(/IIH~f!r.rilVo/CoJi/omitl-Js AJ,g,/'-l'

TlmOlhy DowlingU.IIml,>, o/ Lo.1MU,

Pavlos G. MikellidesAri:J,ltl(lSIUI.tV",.mil)

Ram Devircddylul.wwra Sla" UnJ"usll!

Jame. A. MathiasSourlKm IIIInOU SUllt Uni~vrs~

Kirby S. ChapmanKI1MJSS.,,, U.h.nfry

Pedro J. MagoA/"s;,jippi Sial' U"-(rsl/y

Edward E. AndersonTna...Tedt Un" m1rv

Roben P. LuclllP"rdilt Unh'ersjly

Marilyn Lightstonell'lr/t'/cUltr Ulth't!rslry

M. Cengiz AltanU"h."l')' ,,/ OklnllOfllO

M. Ruhul Anuo"OIIlalla Stote U"\''Irsit)'

Gunol KojasoyUII;\,t'rs,,'Y (JI K'I.$COllllt-MiI.,.'tl"kL,

Rulph Aldrcdge(/ni"'frfr)' of CQ/i/omia-Davis

Los autores desean reconocer, con aprecio, los numerosos y valiosos comenta-rios. sugerencias. cricas constructivas y elogios por parte de los siguiemesevaluadores y revisores:

AGRADECIMIENTOS

xxviiPrefacio

xxix

f~tI~2 SI~ p.. ~ ti tJ(fI'l>ln! Ir

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xxx

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.

Los objetivos del capitulo 8 son,

Examinar el funcionamtento de mecanismos de ingenieraa la lUZ de la segunoa ley de la termodinmica.

o Definir exerg/a. que es el trabajo til mlOOlOque se puedeObtener del sistema en determinadO estado. en un ambienteespecificado.

o Definir trabajo reversible. que es el trabajO bl mximo quese puede Obtener cuando un sisterna pasa oor Un procesoentre dos estados especificados.

o Definir la destruccin de exergla. que es el potencialtrabaiodesperdiciado durante un proceso. como resultadode rrreversibilidades.

o Definir la eficiencia de la segunda ley.o Desa.rollar la ecuacin de balance de exergla.o Aplicar el balance ele exergia a sistemas cenados yVOlmenes de oontrol.

Obietll/os

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Solllc~ o. wtlll!IdOlrcfftl'lrll ... w.1C(!d;jd lit' ltlre. 11.WOf~tll-1t'I1IM'" OOI'lIUIM ~a elK'l,1U ~ wlotidld ~1fud.L Se

I~=:.~,,~WltlClNdfo tsU ,r.,mxlOn,CcfI'O Cua1O.sU rtt.hWllr.tMt '11u,~f$ InsI"tl'l(~In ... (Onb!IIIOtLeJe $I'If!f~ dr1 UIoO timMor ~ ven

tlktnu que CJOr.ISilIMen lX)tmCi. IN>,.,. 'lit. a~ 4t1 ...n~ LH .,_~ """""potC~ p.dt M la pottnOot me- rlGUItA2041(A ti 'a$O" at I,IIMPfI"Q""".oo.,.,

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1.....' .. t5eItp df & 11">'$1~ i48) OtItlmWle" U! ,,,,*lI)nt$. r.

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-Das emocionantes aplicaciones de la ter-modinm ica en el mundo real. lo cual lesayuda a establecer un sentido del valoreconmico de la energa

yisita glJiada

xni

Nuestro texto contiene casi 3000problemas de tarea. de los cuales 700 sonnuevo, en esta edicin, L~ problema, defin de capitulo se agrupan en ternasespcccos par" facilitar a profe-orev )alumnos su seleccin, L1

~ EXPERIMENTO

U'Nrlw' l!1I)'t;I'u:undUn1D! b)' frklion 1m b.xn 10",,_ br mM fur IUirkll t.l1 qU3I1hr ..-d UII[y.. btt a~ 11)0:,IJ"1l1li'J Coum R'JIm(or.lII J l"'ffk{d..(A'IIIt t~i~fbQ~ ,n'!M'w4U11 ~pbc~-dw~b lIlt\('f'I:lW'un ..."" C'OpJY.'ltfj(Mj"ttrtr frIC1I(ltfpRII ~ 1)in f:itUlt' 9.1. lb" caI..wiuII.1e, fnrtioo JUd nb$ un lb.' rl'\1Qt t;"', ""';II*ul'. IIrin.,Ih' NQ'l:1o: tft l )!.I'fI.t",I ..trirleSlhI(j~ 1_ \1( tblf*Xlynam.in.. lh! Iin;~.. M,,'I;O:(IIr,l.'I)f lito: W)tk lUIJrQ:-1 .jualW(1,) 1Mtai"In ftlk'fN(ll (1If'1)'oi th ..~'t' ~~lurilla:-~.A,.jo o(t~ too'otll"glc_sai'vs~'~ Wft_~cal'll.Tht ~ ,..dwtinnan~ly~ lK'I:OWIt~Iof'bio.)'dt IICf\.\J)"lIamk dfll~. MtJfto! (rklion. alld hco:" ~$11!!\).IIt-rronl tln:.

.!lW1'1'!Ie~('t ot Ib'''UP::fil)'lt,... , b 11),..,,11>the Jfm lo...f/rItt~~e;, Wlt'4\fllbot II~ ()(.hit)de I

xxxi

Engineering Equation SolverEl EES es un poderoso resolvedor de ecuaciones confunciones y tablas de propiedades integradas para laspropiedades de transporte y termodinmlcas, as co-mo con la capacidad de vericar de manera aurorn-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 Iconos SES en las seccionesde tarea del texto.

Gua interactiva de termodinmica.El profesor Ed Anderson del departamento de inge-niera mecnica de Texas Tech University cre unagua interactiva de termcdinmica 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.

RA EL ESTUDIANTESUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE

En el captulo 1. los objetivos son: tdentificar el vocabulano especifico relacionado con la ter-

modinmica oor medio de la definicin precisa de concep-tos bscos con la finalidad de formar una base slida parael desarrollo de los principios de la termodinmICa.

Revisa( los sistemas de unidades SI mtrico e mgls 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 pata resolverproblemas.

Ob;8rivosToda ciencia posee un vocabutaro (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 sslema. esuoo. postulade>de esta-de>.equilibrio y proceso. Tambin se analizan los trminostemperatura y escalas de temperatura con especial ntasis enla Escala Internacional de Temperatura de 1990. Posterior-mente se presenta presrn. definida como la fuerza normalQue ejerce un fluido por lIlidad de rea. y se analizan las pre-siones absoluta y manometrica, la variacin de la presn conla proluodidad y los instrumentos de medicin de oreson, co-mo manmelros 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 probemas de mge-nierra.

Captuo.1INTRODUCCiN Y CONCEPTOS BSICOS

La termodinmica se puede definir como la ciencia de la energia. Aunque to-do mundo tiene idea de 10que es la energa. es difcil definirla de fonna pre-cisa. 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 10ms 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 In naturaleza es el

principio de conservacin de la energa .. ste expresa que durante una in-teraccin, la energa puede cambiar de una fonna 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 resu-tudo 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 comoEen1r.:td1l - Ewida = 6.E.La primera ley de la termodmmca es simplemente una expresin del

principio de conservacin de la energa. y sostiene que 13energia 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 tila 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 COlnO tal hasta que Thomas Saveryen 1697 y Thomas Newcomen en 1712 construyeron en Inglaterra las pri-meras mquinas de vapor armosfrcas 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 3 partir del ao de 18.50,principalmente de los trabajos de WilliamRankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin (antes WilUam Thornson). El tr-mino termodinmica se us primero en una publicacin de Lord Kelvin en1849; y por su parte, WiWam 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 de

panculas llamadas molculas, y que las propiedades de dicha sustancia de-penden, por supuesto, del componamiento de estas partculas. Por ejemplo,la presin de un gas en un recipiente es el resultado de la transferencia decantidad de movimiento entre las molculas y las paredes del recipiente.Sin embargo, no es necesario conocer el comportamiento de las partculasde gas para determinar la presin en el recipiente, bastara con colocarle

1-1 TERMODINMICA Y ENERGA

fiGURA 1-2Principio de conservacinde laenerga para el cuerpo humano.

Almacenaje de enc.rfa(1 uni

~ TUTORIAl~ INTERACTIVO

V(A$E TUTORIAl CAP. :. $(CC. 2. EN El OYO

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

FIGURA13El calor Iluye en direccinde latemperaturadecreciente.

Cufcaliente70'Co

Ambienltfl'uzo-c

3CapitUlO 1

Cualquier cantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitu-des asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensionesbsicas, como masa fII. longitud L, tiempo , 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-sienes primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones deri-vadas.

1-2 IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONESY UNIDADES

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 hurnidificador, 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.

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 sotucon 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.

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 Suues CII.

1012 tera, T109 giga, G1~ m~,M1()3 kilo, k102 hecto. h10' deca, da10-1 deci, d10-2 centi, e10 3 mili, m10-6 micro, .10 9 nano, n10-12 pico, p

Prefijosestndar en unidades SIMltiplos Prefijo

lA8lA 1 2

metro (m)kilogramo(kglsegundo ts)kelvin(K)ampere (A)candela (cd)mol (mol)

LongitudMasaTiempoTemperaturaCorrienteelctricaCantidad luminosaCantidad de materia

UnidadDimensin

las siete dimensionesfundamentales (o primarias)y susunidades en el SI

lA8lA 1 ,

5Captulo I

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, l. 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 (5) para tiempo. ampere (A) para COmente elctrica, gradoKelvin (OK) para temperatura y candela (cd) para intensidad luminosa (canti-dad de luz). En 1971, la CGPM aadi una sptima cantidad fundamental yunidad: 1/101 (mol) par" la cantidad de materia.Con base en el esquema de notacin introducido en J 967. el smbolo de

grado se elimin en forma oficial de la unidad de temperatura absoluta. y to-dos los nombres de urdades 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 elllell'ton (no Newton). y se abrevia como N. Asimismo,es posible pluralizar el nombre completo de una unidad, no asf 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 ro (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 res-ro 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 panicipacin intensa en el comercio internacional (co-

mo la auromoeiz, 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 E:.'UldosUnidos 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 tomillomtrico. 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. Los

prefijos 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).

(t-2)11' = 1118 (N)

Una fuerza de 1 N equivale aproximadamente al peso de una manzana pe-quea (m = 102 g), mientras que una fuerza de 1 Ibf es equivalente a ms Omenos el peso de cuatro manzanas medianas ("~.~l= 454 g), como se ilustraen la figura J -8. Otra unidad de fuerza de uso comn en muchos pases euro-peos es el kilogramo-fuerza (kgf). que es el peso de I kg de masa ,,1 nivel delmar (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 pe-so W es una fuerza: la fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo. y su magni-tud se determina a punir de la segunda ley de Newton,

1N ~ 1kg' mIs'Ilbf; 32.1741bmft/s'

En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se define como lafuerol re-querida para acelerar IIl1amasa de I kg (1 razon de 1 ,,r. En el sistema in-gls. la unidad de fuerza es la libra-fuerza (Ibf) y se define como la fuerzarequerida para acelerar UIl{ll1l(lsade 32.174 lbn: (1 slug} a razn de I ftl.,.J(Fig. 1-7). Es decir,

(t-!)FQffla

oFuerza := (Inasa)(aceleracin)

En el sistema ingls. la fuerza es considerada comcunente 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(g,) en muchas frmulas. Para evitar esta molestia. se considera a la fuerzacomo una dimensin secundaria cuya IInid

FIGURA 1-10El peso de una masa unitaria al niveldel mar.

IV. 9.807 kg Ilvsl ,y. 32.1141bm . ws'=9.807 N =)lbf=) kgf

8 = 9.801 mis' g = 32.l 14 r,'

FIGURA 1-9Uncuerpo que en laTierra pesa 150lbf pesar slo 25 Ibf en la Luna.

CaptUlOI 7

Una unidad ms comn para la energa en el SI es el kilojoule (1 kJ = 10' J).En el sistema ingls. la unidad de energa es el Btu (Brirish thermal unit),que se define como la energa requerida para elevar en 1F la temperatura del Ibm de agua a 68F. En el sistema mtrico. la cantidad de energa necesariapara elevar en 1C la temperatura de J gramo de agua a 14.5C se define co-mo I calora (cal). y 1 cal = 4.1868 J. Las magnitudes de kilojoule y Btuson casi idnticas (1 Btu = 1.0551 kJ).

(t..J)

donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleracin gravitacional local (8 es9.807 m/s? o 32.174 ftls2 al nivel del mar y latitud 45). Una bscula de baoordinaria mide la fuerza gravitacional que acta sobre un cuerpo. El peso delvolumen unitario de una sustancia se llama peso especfico y y se determinaa partir de y = P8. donde P es la densidad.

La masa de UD cuerpo es la misma sin importar su ubicacin en el univer-so: sin embargo. su peso se modifica con un cambio en I~aceleracin gravita-cional. Un cuerpo pesa menos en la cima de una montaa puesto que g dismi-nuye con la altitud. En la superficie de la Luna, una astronauta pesa alrededorde 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 fi-

gura 1-10; no obstante, una masa de 1 Ibm pesa 1 lbf, lo que lleva a las per-sonas a creer que libra-masa y libra-fuerza se pueden usar de forma indistin-la como libra (lbl. lo cual es uno de los principales errores en el sistemaingls.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 mag-nitudes de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distanciaentre ellas. Por consiguiente. la aceleracin gravitacional g en UD lugar de-pende de la densidad locat de la corteza terrestre, la dtstancia al centro de laTierra y. en un menor grado. de las posiciones de la Luna y el Sol. El valorde g vara con la ubicacin desde 9.8295 mis: a 4 500 m debajo del nivel delmar hasta 7.3218 mis: a 100 000 m arriba del nivel del mar. Sin embargo, aaltitudes de hasta 30 000 m. la variacin de g del valor a nivel del mar de9.807 m/s2 es menor a 1 por ciento. Entonces, para la mayor parte de los pro-psitos prcticos. la aceleracin gravitacional se supone como constante en9.81 .nI;. Es interesante notar que en lugares situados abajo del nivel del marel valor de g se incrementa con la distancia desde el nivel del mar, alcanza unmximo prximo 3 los 4 500 m y luego empieza a disminuir. (Cul cree quees el valor de 8 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 lafuerztl de grave-dad que ejerce. Con este enfoque se supone tambin que las fuerzas ejercidascausadas por otros efectos como la flotabilidad en el aire y el movimiento delfluido son insignificantes. Esto es como medir la distancia a una estrella mi-diendo su transicie hacia el color rojo o determinar la altitud de un aeropla-no por medio de la presin baromtrica: ambas son mediciones indirectas. Laforma correcta directa de medir la masa es compararla con otra conocida. Sinembargo. esto es difcil y se usa sobre todo para calibracin y medicin demetales preciosos.El trabajo, que es una forma de energa, se puede definir simplemente co-

mo la fuerza multiplicada por la distancia: por lo tanto, tiene la unidad "new-ton-metro (N . m)", llamado joule (J). Es decir.

Solucin Se tiene el volumen del depsito y se va a determInar la masadelaceite.Suposiciones El aceue es una sustancia no compresrbtey. por lo tanto, sudensidad es constante.AMlrsis Un bosquejo del SI51emadescrito se presentaen la llgura 112. Su-ponga que olVIda la l6mta.'>.es una indicacin clara de que se ha cometido unerror en una etapa anterior. ~ que comprobar las dimensiones puede servircomo una herramienta valio.a Y.ll"d detectar errores.

FIGURA1-12Esclucmnpara el ejemplo 1-2.

V='2mJl' = 850 19lm\

m='!

\CGITE

o kt '''_0ft'lO,l ('Wf ~''''''_ npfV'.ul J.. Kl",F~illt;l-rfS\llIhMlt'.

FIGURA1-11Paru lograr In homogeneidaddink!lIsiOllal de una ecuacin. 1000>los lnnino< deben tener las mismasunidades.

_ 'UOUGA'N:EJTUWAS ..... '(OWf.SA QUESO' PfPIWIUOS. .. lt>OLORte fSTM\liOr

Introduct:in y conceptos bsicos8

SolUCIn Una masa de 1.00 Ibm se somete a la Bfavedadterrestre estndar.Se determlnar~ su peso en Ibl.Suposiciones Se consrderan condiciones estandar al nivel del mar.Prop'edJdes La constante gravil8Clonales g ~ 32.174 flJs'.

Po. ~dlo de las relaclOl1esde converSInde unidades. muestre que 1.00bm pesa 1.00 Ibf en la Trerra (Flg. 1-13).

El peso de una libra-masaEJEMPLO '-3

Las relaciones de conversin de unidade-, son IguJle, a I y no tienen uni-dades. por lo tamo. rale> relaciooes (o su.. inversos se pueden insertar deforma conveniente en cualquier clculo para convenir unidades de maneraade.'U3da. Se recomienda a 1"" estudiaruev que vrcmpre U'>Cnrelaciones deconversin de unidade,. Algunos libro, incluyen en las ecuaciones la cons-tante gr.1\ itacional arcaica 8, defmida como 8, - 32.174 Ibm . ftllbf sl =kg . I1lIN . ,2 = I con la linalidad de que concuerden la:. unidades de fuerza.Esrn prctica produce una confusin innecesaria y Jos uurorcs de este libroconsideran que no es aconsejable. En cambio. se recomienda que los estu-dlantes usen relaciones de conversin de unidades.

Ibf _ I3217Jlbmfl ,-

N- = l Y

kg-m "

Asimismo, se pueden expresar de modo ms conveniente corno relaciones deconversin de unidades como

fiGURA 1-13En InTierrn, unu mn..a de I Ibmpesa I Ibf.

Ibf 32.174lbm '~.'

A..r como es posible foemar dimensione> no pnmanas mediante combinacio-nc' adecuada~ de dimensiones primaria'. todas las unidades no primarias(unidades secundarias se forman a trav d~ combinacionesde unidadesprimarias. Las unidades de fuerza. por ejemplo. e, po:.ible expresarlas como

Relaciones de conversin de unidades

Es importante recordar que una fmula que no es dimensionalmente horno-gnca es delinili\ameme errnea. pero una frmula con homogeneidad di-mensional no necesariamente es correcta,

9Captulo 1

ni = (850kg/m')(2 mi) ~ t 700~:Comentarlo Observe que existe la posibilidad de que este enloque no fun-clone para 16rmulasms complejas.

As!.

Es eII'dente que se puede eliminar m' y Imallw con kg al multiplicar estasdOs cantidades. Po< lo tanto, la lr.... t. que se busca debe ser

m = pV

Un sistema se define como una cantidad de materia o 1111(1re[lilI ell el espa-cio elegida para antisls. La masa o regin fuera del sistema se conoce comoalrededores. L:I superficie real o imaginaria que separa al si

F:GURA 119Unsistema abierto (o volumen decontrol) con una tnrrada y una salida.

)

~IEntradade agua

(a

(~olun.clIde conlh')l)

DE AGUA

FIGURA 1-17Un sistema cen-ado con Unafromeramvil.

fFrontentI1J.

_ .. ra _, .o:, 1

m'"..,GAS

GAS 21

ContinuoLa materia est constituida por tomos que estn igualmente espaciados en lafase gas. Sin embargo. es muy conveniente no tomar en cuenta la naturalezaatmica de una sustancia y considerarla corno materia continua, homognea ysin ningn hueco, es decir, un contiuuo. La idealizacin de continuo permitetrarar a las propiedades como funciones puntuales y suponer que varan enforma continua en el espacio sin saltos discontinuos. Esta idealizacin es v-lida siempre y cuando el tamao del sistema analizado sea grande en relacincon el espacio entre molculas. ste es el caso en casi todos los problemas aexcepcin de algunos especializados. La idealizacin del continuo est impl-cita en muchos enunciados, como "la densidad del agua en un vaso es la mis-ma en cualquier punto",Para tener una idea de la distancia que haya nivel molecular. considere un

recipiente lleno de oxgeno en condiciones atmosfricas. El dimetro de lamolcula de oxIgeno es de alrededor de 3 X 10-.0 m y Su masa es de 5.3 X10-16 kg. Asimismo, la trayectoria libre media del oxgeno a una presin del arm Y20C es 6.3 X 10-3 m. Es decir, una molcula de oxgeno viaja, enpromedio, una distancia de .3 X 10-3 111 (unas 200 veces su dimetro) antesde chocar con otra molcula.Tambin, hay cerca de 3 X IOt6molculas de oxgeno en el pequeo volu-

men de I mm3 a I atm de presin y 20C (Fig, 1-21). El modelo del continuoes aplicable siempre y cuando la longitud caracterstica del sistema (por

Cualquier caracterstica de un sistema se llama propiedad. Algunas propieda-des muy familiares son presin P. temperatura T, volumen V y masa m. Lalista se puede ampliar para incluir propiedades menos familiares corno visco-sidad, conductividad trmica, mdulo de elasticidad, coeficiente de expansintrntica, resistividad elctrica e incluso velocidad y elevacin.Se considera que las propiedades son intensivas o extensivas. Las propieda-

des inteusivas son aquellas independientes de la masa de un sistema, comotemperatura. presin y densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cu-yos valores dependen del tamao o extensin del sistema, La masa total, volu-men total y cantidad de movimiento total son algunos ejemplos de propieda-des extensivas. Una forma fcil de determinar si una propiedad es intensiva oextensiva es dividir el sistema en dos parles iguales mediante una particinimaginaria, corno se ilustra en la figura 1-20; cada parte tendr el mismo valorde propiedades intensivas que el sistema original. pero la mitad del valor delas propiedades extensivas. 'Comnmente, las letras maysculas se usan para denotar propiedades exten-

sivas (con la importante excepcin de la masa m) y las minsculas para las in-tensivas (con las excepciones obvias de la presin P y la temperatura 1).Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades es-

pecficas, Algunos ejemplos de stas son el volumen especfico (v = V/m) yla energa total especfica (e = Elm).

1-4 PROPIEDADES DE UN SISTEMA

En un anlisis de ingeniera, el sistema bajo estudio se debe definir concuidado. En la mayor parte de los casos, el sistema analizado es bastante sim-ple y obvio, y definirlo podra parecer una tarea tediosa e innecesaria. Sinembargo, en otros casos el sistema bajo anlisis podra ser bastante comple-jo, de modo que su apropiada eleccin puede simplificar en gran medida elanlisis.

FIGURA 1-21Apesar de los grandesespacios entremolculas, una sustancia puede sertratada como un continuo, comoresultado de la gran cantidad demolculas, incluso en un volumenextremadamente pequeo.

flUECOIQ

2 lalnl.~C

Observe que la densidad relativa de uro sustancie es una cantidad adimensio-nal. Sin embargo. en unidades SI. el valor numrico de la densidad relativa deuna 'lI".ncia es exactamente igual a su densidad en g/cm} o kgfl (o bien,0.001 veces la densidad en kg/m3) puesto que la densidad del agua a 4C esI g/cm) - 1 kgfl ~ 1 000 kglm1. La densidsd relativa del mercurio a OC,por ejemplo. es 13.6. Por lo tanto. su densidad a OC es 13.6 g/cm1~ 13.6kgIL - 13600 kglmJ. En 13 labia 1-3 se dan las densidades relativas de algu-nas sustuncillS a O"C: observe que las sustancias coo densidades relativas me-nores a I SOnms ligeras que el agua y. por lo tanto, Ootarlan en sta.

(16)JISO='-PHO/)t",/(/lu1 ft'hult'(I;

Para un elemento de volumen diferencial de musa 8111 y volumen liV. la densi-dad se puede expresar como p ~ IJmlV.En general. la densidad de una sustancia depende de la temperatura y la

presin. La densidad de la mayor parte de los gases es proporcional a la pre-sin e inversamente proporcional a la temperatura. Por Otro lado, los lqui-dos y slidos son en esencia sustancias no compresibles y la variacin desu densidad con la presin es por lo regular in~ignificante. A 20C. porejemplo. la densidad del agua cambia de 998 kg/mJ a I aun. u I 003 kglmla 100 31m. un cambio de slo 0.5

Postulado de estadoComo se mencion, el estado de un sistema se describe mediante sus propieda-des, pero se sabe por experiencia que no es necesario especificarlas todas con lafinalidad de fijarlo. Una vez especificadas suficientes propiedades, el resto asu-rne automticamente ciertos valores; es decir, especificar cierto nmero de pro-piedades es suficiente para fijar un estado, El nmero de propiedades requer-das para fijar el estado de un sistema se determina mediante el postulado deestado:

Elestado de un sistema compresiblesimple se especifica p()(completome-diante dos propiedades intensivas independientes,

Considere un sistema que no experimenta ningn cambio: en estas circuns-tancias. todas las propiedades se pueden medir o calcular en el sistema. locual da un conjunto de propiedades que describe por completo la condicin, oel estado, del sistema. En un estado especfico, todas las propiedades de unsistema tienen valores fijos, e incluso si cambia el valor de una propiedad, elestado cambia a otro diferente, En la figura 1-23 se muestra un sistema endos estados diferentes.La tennodinmica trata con estados de equilibrio, Esta ltima palabra defi-

ne un estado de balance, En Unestado de equilibrio no hay potenciales desba-lanceados (o fuerzas impulsoras) dentro del sistema, y ste no experimentacambios cuando es aislado de sus alrededores,Hay muchos tipos de equilibrio, y un sistema no est en equilibrio termo-

dinmico a menos que se satisfagan las condiciones de todos los tipos nece-sarios de equilibrio. Por ejemplo, un sistema est en equilibrio trmico sitiene la misma temperatura en todo l, como se muestra en la figura 1-24. Esdecir, el sistema no implica diferencial de temperatura, que es la fuerza im-pulsora para el flujo de calor. El equilibrio mecnico se relaciona con lapresin, y un sistema lo posee si con el tiempo no hay cambio de presin enalguno de sus puntos, Sin embargo. al interior del sistema la presin puedevariar con la elevacin como resultado de efectos gravtacionales. Por ejem-plo, la mayor presin en UDacapa inferior se equilibra mediante el peso ex-tra que debe llevar y, por lo tanto. no hay desbalance de fuerzas. La varia-cin de la presin como resultado de la gravedad en la mayor parte de lossistemas termodinmicos es relativamente pequea y generalmente se igno-ra. Si en un sistema hay dos fases, se encuentra en la fase de equilibriocuando la masa de cada fase alcanza un nivel de equilibrio y permanece all,Por ltimo. un sistema est en equilibrio qumico si su composicin qumi-ca no cambia COnel tiempo, es decir, si no ocurren reacciones qumicas, Unsistema no estar en equilibrio a menos que se satisfagan los criterios deequilibrio necesarios,

1-6 ESTADO Y EQUILIBRIO

donde g es la aceleracin gravitacional,Las densidades de lquidos son en esencia constantes y, por consiguiente,

se pueden aproximar como sustancias no compresbes durante la mayor par-te de los procesos sin sacrificar mucho en precisin.

(17)Peso~"pec(jic/):

El peso de un volumen unitario de una sustancia se llama peso especfico )'se expresa como

FIGURA1-24Unsistema cerrado que alcanza elequilibrio trmico,

.'2 e Y:!'C32'('

a) Ante)

zo'c 23'CJe{c

13S'C 4()C

Jzl>c

-

FIGURA123Unsistema en dos estados diferemes.

.. = HgT1 = 2OC

\.'2-2.5 m'm= 2 kgT. = 20CV. = 1.5 Inl

~ TUTORIAl~ INTERACTIVO

'IEASE MORIAl CAP. t, SECC. 6, EN El OVO,

Su~ncia __ DRAgua 1.0Sangre 1.05Aguade mar 1.025Gasolina 0.7Alcoholetnco 0.79"'iercurio 13.6Madera 0.3-0.9Oro 19.2Huesos 1.7-2.0Hielo 0.92Aire(a 1 atm) 0.0013

Densidadesrelativas de algunassustancias a o'e

TABLA 1-3

Introduccin y conceptos bsicos14

FIGURA1-27Procesosde compresin con y sincuasiequilibrio.

I e: mj_b) Compre)ion muy rpidl

(no culsiequilibno)

I t;~a) Compresjn knta

(cUMiequilibrio)

FIGURA1-26Un procesoentre losestados I y 2 Yl.trayectoria del proceso.

I'ropied>d B

Propicdt\d A

~ TUTORtAl~ tNTERACTlVO

litASE TUTOR1Al CAP. l. SECC. 7. EN EL OVO.

FIGURA1-25El estado del nitrgeno se fijamediantedos propiedades intensivasindependIentes.

Njlr~~t~T= 2S~C

v = O.9In'll.g

15CaptUlO1

Cualquier cambio de un estado de equilibrio a otro experimentado por UDsistema es un proceso. y la serie de estados por los que pasa un sistemadurante este proceso es una trayectoria del proceso (Fig. 1-26). Para des-cribir completamente un proceso se deben especificar sus estados inicial yfinal. as como la trayectoria que sigue y las interacciones con los alrede-dores.Cuando un proceso se desarroUa de tal manera que todo el tiempo el siste-

ma permanece inlnitesimalmente cerca de un estado de equilibrio, estamosante un proceso cuasJesttico. o de cuasiequilibrio. Un proceso de este tipopuede considerarse lo suficientemente lento como para permitirle al sistemaajustarse internamente de modo que las propiedades de una de sus partes nocambien ms rpido que las de otras.E.~tOse ilustra en la figura 1-27. Cuando un gas en un dispositivo de cilin-

dro-mbolo se comprime de forma repentina. las molculas cercanas a la su-perficie del mbolo no tendrn suficiente tiempo para escapar y se concentra-rn en una pequea regin frontal del mbolo. de modo que ah se crear unaregin de alta presin. Como resultado de esta diferencia de presin, ya no sepuede decir que el sistema est en equilibrio, lo cual hace que todo el proce-so no sea de cuasiequilibrio. Sin embargo. si el mbolo se mueve lentamente,las molculas tendrn tiempo suficiente para redistribuirse y no habr concen-traci6n de molculas al treme del mbolo. Como resultado. la presi6n dentrodel cilindro siempre ser uniforme y aumentar con la misma rapidez en to-dos los lugares. Puesto que el equilibrio se mantiene todo el tiempo. se tratade un proceso de cuasiequilibrio.Se debe sealar que un proceso de cuasiequilibrio es un caso idealizado y

no corresponde a una representacin autntica de un proceso real. No obstan-te, muchos procesos reales se aproximan bastante y es posible modelarlos co-mo de cuasiequilibrio con un margen de error insignificante. Los ingenierosse interesan en este tipo de procesos por dos razones: primera, son fciles de

1-7 PROCESOS Y CICLOS

Se trata de un sistema compresible simple cuando carece de efectos elc-tricos. magnticos. gravitacionales. de movimiento y tensin superficial. Es-tos efectos se deben a campos de fuerza externos y son insignificantes para lamayor pane de los problemas de ingeniera. porque de lo contrario seria ne-cesario especificar una propiedad adicional para cada efecto importante. Si sevan a considerar los efectos gravitacionales. por ejemplo, se requiere especifi-car la elevacin z adems de las dos propiedades necesarias para fijar el esta-do.El postulado de estado requiere que las dos propiedades especificadas sean

independiemes para fijar el estado; y son independientes si una de eUaspuede variar mientras la otra se mantiene constante. Por ejemplo. la tempe-ratura y el volumen especficos son siempre propiedades independientes. yjuntas fijan el estado de un sistema compresible simple (Fig. 1-2$). Sin em-bargo, la temperatura y la presin son propiedades independientes para siste-mas de una sola fase. pero son propiedades dependientes para sistemas mul-rifase. A nivel del mar (P = I aun), el agua hierve a lOOC, pero en la cimade una montaa donde la presin es menor, el agua hierve a una temperanirams baja. Es decir, T = AP) durante un proceso de cambio de fase; as, latemperatura y la presin 00 son suficientes para fijar el estado de un sistemade dos fases. Los procesos de cambio de fase se analizan con detalle en elcaptulo 3.

Los trminos estable y uniforme se usan con frecuencia en ingeniera, y esimportante comprender claramente sus significados. Estacionario significaque no hay cambio con el tiempo y su contrario es no-estacionario o transito-rio. Sin embargo, uniforme significa ningn cambio con la ubicacin en unaregin especfica. Estos significados son congruentes con su uso cotidiano(novia estable. propiedades uniformes, etctera).En ingeniera. un gran nmero de dispositivos operan por largos periodos

bajo las mismas condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo esta-cionario. Los procesos en los que se utilizan tales dispositivos se pueden re-presentar razonablemente bien mediante un proceso un poco idealizado. lla-mado proceso de flujo estacionario. que es posible definir como un procesodurante el cual un fluido fluye de forma estacionada por 1111 volumen de COtl-trol (Fig. 1-29).Es decir. las propiedades del fluido pueden cambiar de unpunto a otro dentro del volumen de control, pero en algn punto fijo perma-necen sin cambio durante todo el proceso. Por lo tanto. el volumen V. la ma-sa 111 y el contenido tOtal de energa E del volumen de control permanecenconstantes durante un proceso de flujo estacionario (Fig. 1-30).

Es posible aproximarse a las condiciones de flujo estacionario mediantedispositivos diseados para operar constantemente. como turbinas, bombas.calderas. condensadores, intercambiadores de calor. plantas de energa o sis-temas de refrigeracin. Algunos dspositivos cclicos. como mquinas o com-presores reciprocantes, no satisfacen ninguna de las condiciones antes men-cionadas puesto que el flujo en las entradas y salidas ser pulsante yno-estacionario. Sin embargo. Ias propiedades del fluido varan con el tiempode una manera peridica y el flujo en estos dispositivos an se puede analizar

Proceso de flujo estacionario

analizar. y segunda, los dispositivos que producen trabajo tienen un mejor de-sempeo cuando operan con procesos de cuasiequibrio. Por lo tanto. sirvencomo estndares con los que se puede comparar a los reales.Los diagramas de proceso trazados mediante el empleo de propiedades ter-

modinmicas en forma de coordenadas son muy tiles para tener una repre-sentacin visual del proceso. Algunas propiedades comunes usadas comocoordenadas son temperatura T, presin P y volumen V (o volumen especfi-co v). En la figura 1-28 se muestra el diagrama P-V de un proceso de com-presin de un gas.Observe que la trayectoria del proceso indica una serie de estados de equi-

librio por los que pasa el sistema durante un proceso, y que nicamente tieneimportancia para procesos de cuasiequilbrio, para otros procesos no es posi-ble caracterizar el sistema completo mediante un solo estado, por lo que care-ce de sentido hablar de una trayectoria del proceso para un sistema como untodo. Un proceso sin cuasiequilibrio se denota con una Ifnea discontinua en-ITelos estados inicial y final en lugar de una linea continua.El prefijo iso- se usa con frecuencia para designar un proceso en el que una

propiedad particular permanece constante. Por ejemplo, un proceso isotrmi-co. es aquel durante el cual la temperatura T permanece constante; un proce-so isobrico es en el que la presin P se mantiene constante. y un procesoisocrico (o isomtrico) es aquel donde el volumen especfico v permanececonstante.Se dice que un sistema ha experimentado un ciclo si regresa a su estado

inicial al final del proceso, es decir. para un ciclo los estados inicial y finalson idnticos.

FIGURA1-29Duranteun proceso de flujoestacionario, las propiedadesdel !luidodentro del volumende control podrancambiar con la posicin pero no con eltiempo.

,-------- --, 300'C 2S0'C :,

VllIumen de contf(.ll :: 2251tC :,, ::::-t::.Salida1 lOQ"~ 2~ _.J de masa

TIempo: 3 p.m.

Tiempo: I p.m.

,..-------EntruJa _1 3()O"C 250"(' idema.~ I

I Vohunen de eonucl :, ,225C i

~SaIida~1~O~'2! de masa

FIGURA 1-28DiagramaP-V de un proceso decompresin.

IV! ,V, V, ,, ,, ,, 16-,Sistel"l"la (,J(~) (1)

Trayectoriade proceso

Estadoinitial

2E.\tndo nul

p

Introduccin y conceptos bsicos16

fiGURA 1-31Do'l cuerpos que alcanzan el eqeihbriotrmico despu6 de ser puestos encontacto dentro de un recinto aislado.

COBRE60T

-C'ORRF:t!'{'

IIILRROIWln en equilibrio trmico entre

donde los valores de las constantes a y b para un termmetro de gas se de-terminan de forma experimental. Una vez conocidas a y b a temperatura deun medio se calcula a partir de esta relacin al sumergir dentro del medio elrecipiente rgido del termmetro de gas y medir la presin del gas cuando seestablece el equilibrio trmico entre el medio y el gas del recipiente cuyovolumen se mantiene constante.Es posible obtener una escala de temperatura de gas ideal si se miden

las presiones de ste dentro del recipiente en dos puntos reproducibles(como los puntos de hielo y de vapor) y asignar valores adecuados a lastemperaturas en estos dos puntos. Considerando que slo una recta pasapor dos puntos fijos en un plano. estas dos mediciones son suficientes pa-ra determinar las constantes a y b en la ecuacin 1-8. Entonces la tempe-ratura desconocida T de un medio que corresponde a una lectura de pre-sin P se determina de esa ecuacin mediante un clculo simple. Los

(t-8)T= a + bP

una mezcla de agua lquida y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a I atmde presin se encuentra en el punto de vapor.Las escalas de temperatura usadas actualmente en el SI y en el sistema in-

gls son la escala Celsius (antes llamada escala centgrada; en 1948 se lecambi el nombre en honor de quien la dise, el astrnomo sueco A. Cel-sius, 1702.1744) y la escala Fahrenheit (en honor al fabricante de instru-mentos alemn G. Fabrenheit. 1686-1736). respectivamente. En la primera alos puntos de hielo y de vapor se les asignaron originalmente los valores deOy IOOOC.respectivamente. Los valores correspondientes en la segunda son32 y 212F. Ambas se conocen comnmente como escalas (le das pumasdldo que los valores de temperatura se asignan en dos puntos distintos.En termodinmica es muy conveniente tener una escala de temperatura

independiente de las propiedades de cualquier sustancia o sustancias. Talescala es la escala de temperatura termodinmica. desarrollada poste-riormente junto con la segunda ley de la termodinmica. La escala de tem-peratura termodinmica en el SI es la escala Kelvln, llamada as en honora Lord Kelvin (1824-1907), cuya unidad de temperatura es el kelvin, de-signado por K (no K; el smbolo de grado se elimin de forma oficial delkelvin en 1967). La temperatura mnima en esta escala es el cero abso-luto, o O K. Se deduce entonces que slo se requiere asignar un punto dereferencia diferente a cero para establecer la pendiente de esta escala li-neal. Por medio de tcnicas de refrigeracin poco comunes los cientficosse han aproximado al cero absoluto kelvin (en 1989 lograron alcanzar0.000000002 K).La escala de temperatura termodinmica en el sistema ingls es la escala

Rankine, nombrada en honor a William Rankine (1820-) 872), cuya unidadde temperatura es el ranklne, el cual se designa mediante R.Otra escala de temperatura que resulta ser casi idntica a la Kelvin es la

escala de temperatura del gas Ideal, ya que en sta las temperaturas semiden por medio de un tennmetro de gas a volumen constante, el cuales bsicamente un recipiente rgido lleno de gas a baja presin, generalmen-te hidrgeno o helio. Este termmetro funciona bajo el principio de que abajas presiones, la tempera/lira de un gas es proporcional a Sil presin avolumen constante. Es decir, a presiones suficientemente bajas la temperatu-ra de un gas de volumen fijo vara de forma lineal con la presin. Entoncesla relacin entre la temperatura y la presin del gas en el recipiente se ex-presa como

Introduccin y conceptos bsicos18

FIGURA 1-33Un termmetro de gas de volumenconstante marcara - 273.15C apresin absoluta cero.

v= CQf\SlllntCabsolutoVaco

FIGURA 1-32Grficas P en funcin de T de losdatOSexperimentales de untermmetro de gas de volumenconstante con cuatro gases distintos adiferentes presiones (bajas).

O",B

GIlSA

p Pumos ck' darosmedidos

Captulo 1 19

En la figura 1-34 se muestra una comparacin de varias escalas de tempera-tura.La temperatura de referencia elegida en la escala Kelvin original fue

273. t 5 K (o OC), que es la temperatura a la que se congela el agua (o sefunde el hielo). sustancia que existe como una mezcla slida-lquida enequilibrio a presin atmosfrica estndar (el punto de hielo). En la DcimaConferencia General de Pesos y Medidas de 1954. el punto de referencia secambi a un punto reproducible con mucha mayor precisin, el punto tripledel agua (el estado en el cual coexisten en equilibrio las tres fases delagua). al cual se le asigna el valor de 273.16 K. La escala Cetsus tambin

(1-12)

{(-1t)r(R) I.&T(K)

T( t) = 1.8T( el + ~~

Es una prctica comn redondear la constante en la ecuacin 1-9 a 273 y lade la ecua