Termodinamica Faires Simmang Termodinamica 6ed

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  • TERMODINAMICA

    Vlrgil Morlng FalresProfesor de ingeniera mecnica

    U. S. Naval Postgraduate School

    Clifford Max Simmang

    Profesor y jefe del Departamento de IngenieraTexas A &.. M University

    /

    ~

    UNION TIPOGRAFICA EDITORIALHISPANOAMERICANA. S. A. de C.V.Barcelona, Bogot. Buenos Aires. Caracas. Guatemala. Lima, Montevideo,Panam. Quito, Ro de Janero, San Jos de Costa Rica,San Salvador, Santiago, Tegucigalpa.MEXICO

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    Ttulo de la obra en ingls:THERMODYNAMICS

    Copyright, 1978, by MacMillan Publishing Co., Inc.AIl Rights Reserved. Authorized translation frorn

    'English languaJe edition published by MacMiIlanPublishing Co., Inc.

    Copyright, 1982, by Unin TipogrficaEditorial Hispano Americana, S.A. de C.V.AIl Rights Reserved

    Copyright 1978, por MacMiIlan Publishing Co., Inc._~servados todos los derechos. Versin autorizada de

    la traduccin de la obra en ingls publicada por Ma~MiIlan.

    Copyright, 1982, por Unin TipogrficaEditorial Hispano Americana, S.A. de C.V.Avenida Independencia, 1006050 Mxico, D.F.

    Reservados todos los derechos.

    Traduccin al espaol:jOSE CARLOS ESCOBAR HERNANDEZUniversidad Nacional Autnoma de MxicoMA. DOLORES GARCIA DIAZTraductora especializada

    Revisin tcnica:FRANCISCO PANIAGUA BOCANEGRAIngeniero mecnico-electricistaFacultad de IngenieraUNAM

    All rights reserved. No part of this book may be reproducedor transmitted in any form or by any means, electronic ormechanical, -including photocopying, recording, oroany informationstorage and retrieval system, without permission inwriting from the Publisher.

    Reservados todos lo~ derechos. No puede reproducirse Iiitransmitirse parte alguna de este libro en ninguna formay por ningn medio, electrnico o mecnico, incluyendofotocopias, grabaciones, o algn sistema de almacenamientoy recuperacin de informacin, sin permiso por escritodel editor.

    IMPRESO EN MEXICO

    AO 1983

    ISBN 968-438-029-1

  • PROLOGO

    En la preparacin de este texto, del finado profesor Virgil Moring Faires, han sido inapre-ciables las cinco ediciones anteriores. Creo que la extensa reordenacin de su contenidoy la presentacin de nuevos conceptos y mtodos que figuran en esta edicin, no han.exclui-do ninguna de las caractersticas sobresalientes de aqullas.

    El prembulo para el estudiante tiene por objeto darle un conocimiento inmediatoygeneral de la termodinmica, por medio de notas histricas e ilustraciones de algunos equi-pos relacionados con los sistemas de energa. Una diferencia notable entre esta ediciny las anteriores es la presentacin de la sustancia pura al principio del libro, lo que permiteque el estudio de los procesos sea independiente de la naturaleza del fluido. En consecuencia,los gases ideales y los vapores se tratan conjuntamente en el captulo referente a procesos.

    Las definiciones y el empleo de los trminos se han depurado. En particular se le haotorgado atencin a la seccin relativa a los conceptos de masay peso, a fin de adararlo mejor posible las relaciones entre esta~ cantidades.

    El captulo que trata la segunda ley de la termodinmica se presenta al inicio, para utilizaren mayor grado el concepto de entropa. Se dedic un captulo completo al compresorde gas debido a su importancia en la industria.

    En vista de que se ha incrementado la imparticin de cursos independientes de transmisin decalor, se ha agregado un captulo para esta materia. Desde luego que dicho captulo no inten-ta reemplazar totalmente el curso normal sobre transmisin de calor; sin embargo, se exponenlos principios y conceptos fundamentales de este tipo de transferencia de energa, a finde que se capte su significacin.

    El texto bsico sobre problemas esProblemas de Termodinmica(Faires, Simmang yBrewer), que se apega a la ordenacin del material de esta edicin.

    En todo el libro se ha conservado el punto de vista de la ingeniera. El estudiante prontoadquiere conciencia de que est aprendiendo cosas relativas a su profesin. Se le adviertecon frecuencia y de varios modos de las limitaciones de los modelos ideales, como en las eva-luaciones a partir de sus respuestas a las ecuaciones tericas. Debe comprender al finalizar el

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  • VI Prlogo

    curso que, no importa cun bella sea, toda teora necesita ser verificada en la prctica.El llamado volumen de control es anlogo al cuerpo libre de la mecnica, y se le sigueutilizando frecuentemente.College Station, Texas C. M. Simmang

    AGRADECIMIENTOSExpreso mi profundo agradecimiento a los muchos amigos y colegas del fallecido profesorVirgil M. Faires, quienes lo ayudaron a preparar las primeras cinco ediciones de este libro.La quinta edicin fue un buen punto de partida para m.

    Doy las gracias a mis numerosos colegas y amigos, quienes me dieron su apoyo y aliento.Debo mencionar en particular las sugerencias del doctor Alan B. Alter y del profesor EdwinS. Holdredge y la atinada revisin del manuscrito hecha por el profesor Louis C. Burmeister.Agradezco tambin las sugerencias de los lectores del libro, a quienes slo conoce el editor,que hemos incorporado a esta edicin.

    Sera una omisin de mi parte no mencionar el apoyo y los sacrificios de mi esposaElnora; sin su comprensin constante, este libro no hubiera sido posible.

    NOTA SOBRE UNIDADES

    El conocimiento de las unidades mtricas se ampla en esta obra con las modernas defini-ciones y descripcin del Sistema Internacional (SI). Pero, con el fin de lograr una mayorconveniencia, se han introducido las indicaciones y notas necesarias para describir y utilizarlas unidades del Sistema Tcnico Mtrico, que faltaban por completo en el original. Loanterior complementa debidamente el aspecto de las unidades de uso normal en ingenieraen las naciones de Hispanoamrica y en Espaa.

    De manera que en muchos ejemplos y problemas se ha efectuado, donde era conveniente,la conversin al Sistema Tcnico Mtrico, dejando en el Sistema Tcnico Ingls las partes,frmulas y diagramas que son comprensibles en s, y pueden figurar en tal forma, a finde no desvirtuar las consideraciones originales y seguir, por tanto, prcticas usuales enla tecnologa.

    El SI se emplea en este libro en extensin considerable, por lo cual esta bien conocidaobra podr servir de enlace entre la enseanza moderna de la Termodinmica y la prcticaprofesional en la ingeniera trmica, y en las investigaciones termo lgicas industriales.

  • CONTENIDO

    Prembulo para el estudiante XIII

    Smbolos y abreviaturas XXII

    1 PRINCIPIOS, CONCEPTOS BASICOS y DEFINICIONES 1

    1.1 Introduccin 1.2 Sustancia operante o de trabajo 1.3 El sistema 1.4 Superficie yvolumen de control 1.5 Propiedades yestado 1.6 Sistemas de unidades 1.7 UnidadesSI 1.8 Aceleracin 1.9 Masa 1.10 Peso 1.11 Volumen especfico y densidad 1.12Peso especfico 1.13 Presin - Teora cintica 1.14 Presin en un fluido 1.15 Manme-tros de lquido 1.16 Principio de Arqumedes 1.17 Temperatura - Punto de vista micros-cpico 1.18 Escalas de temperatura 1.19 Medicin de la temperatura 1.20 Ley cero1.21 Procesos y ciclos 1.22 Conservacin de la masa 1.23 Depsito trmico 1.24 Mqui-nas trmicas 1.25 Superficie y proceso adiabticos 1.26 Conclusin.

    2 CONCEPTOS DE ENERGIA

    2.1 Introduccin 2.2 Relacin entre masa yenerga 2.3 Medicin de la energa 2.4 Ener-ga potencial gravitacional 2.5 Energa cintica 2.6 Energa interna 2.7 Trabajo 2.8 Tra-bajo sobre la frontera mvil de un sistema 2.9 El trabajo depende de la trayectoria 2.10Ejemplo - Trabajo en un proceso sin flujo 2.11 Trabajo de elasticidad 2.12 Tensinsuperficial 2.13 Trabajo elctrico 2.14 Ejemplo 2.15 Ecuacin generalizada del trabajo2.16 Energa de flujo 2.17 Calor - Punto de vista microscpico 2.18 Calor especficoa volumen constante 2.19 Calor especfico a presin constante 2.20 Relacin de caloresespecficos 2.21 Calores especficos de un gas ideal 2.22 Aspectos microscpicos delcalor especfico 2.23 Variacin de los calores especficos 2.24 Calores especficos medios2.25 Otras formas de energa 2.26 Conservacin de la energa 2.27 Movimiento perpetuode primera clase 2.28 Conclusin.

    3 LA SUSTANCIA PURA

    3.1 Introduccin 3.2 Postulado del estado 3.3 Fases 3.4 Cambios de fase a presinconstante 3.5 Comparacin de las curvas de lquido y vapor 3.6 Superficies termodinmi-

    29

    61

    VII

  • VIII Contenido

    cas 3.7 Diagramas de fases 3.8 Regla de las fases 3.9 Ecuaciones de estado 3.10

    Tablas de gas 3.11 Tablas de liquido y vapor 3.12 Uquido comprimido 3.13 Ejemplo - Com-paracin de los cambios de entalpia del agua durante la compresin 3.14 Diagramas depropiedades 3.15 Diagrama de Mollier 3.16 Diagramap-h 3.17 Conclusin.

    4 PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA - ENERGIA 80

    4.1 Introduccin 4.2 Primera ley de la termodinmica 4.3 Energia interna - Consecuenciade la primera ley 4.4 Relacin entreE y U 4.5 Entalpia (o entalpa) 4.6 Sistemas cerrados4.7 Ecuaciones de energa para sistemas cerrados 4.8 Sistemas abiertos y flujo constante4.9 Ecuacin general de energa para el sistema abierto 4.10 Sistemas abiertos con estadoestacionario y flujo constante 4.11 Aplicaciones de la ecuacin de flujo constante 4.12Relaciones entre propiedades a partir de ecuaciones de energa 4.13 Sistemas abiertoscon estado no estacionario y flujo transitorio 4.14 Materia que atraviesa ms de dos fronte-ras 4.15 Fronteras del sistema 4.16 Ejemplo - Compresor de are 4.17 Energa de friccino rozamiento 4.18 Ecuacin de energa para el movimiento de fluidos incompresibles4.19 Movimiento de un fluido incompresible a travs de un ventlador o una bomba 4.20Conclusin.

    5 SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA - ENTROPIA 107

    5.1 Introduccin 5.2 Enunciados de la segunda ley de la termodinmica 5.3 Desigualdadde Clausius 5.4 Concepto de entropa con base en la segunda ley 5.5 Produccn deentr