2. DIMENSIN MTRICA MTRICA/INGLESAVolumen especfico 1 m3/kg 1
000 L/kg 1 m3/kg 16.02 ft3/lbm 1 000 cm3/g 1 ft3/lbm 0.062428
m3/kgTemperatura T(K) T(C) 273.15 T(R) T(F) 459.67 1.8T(K)T(K) T(C)
T(F) 1.8 T(C) 32T(F) T(R) 1.8* T(K)Conductividad 1 W/m C 1 W/m K 1
W/m C 0.57782 Btu/h ft FtrmicaResistencia trmica 1C/W 1 K/W 1 K/W
0.52750F/h BtuVelocidad 1 m/s 3.60 km/h 1 m/s 3.2808 ft/s 2.237
mi/h1 mi/h 1.46667 ft/s1 mi/h 1.609 km/hViscosidad dinmica 1 kg/m s
1 N s/m2 1 Pa s 10 poise 1 kg/m s 2 419.1 lbf/ft h 0.020886 lbf
s/ft2 5.8016 106lbf h/ft2Viscosidad cinemtica 1 m2/s 104cm2/s 1
m2/s 10.764 ft2/s 3.875 104ft2/h1 stoke 1 cm2/s 104m2/s 1 m2/s
10.764 ft2/sVolumen 1 m3 1 000 L 106cm3(cc) 1 m3 6.1024 104in3
35.315 ft3 264.17 gal (E.U.)1 galn E.U. 231 in3 3.7854 L1 onza
fluida 29.5735 cm3 0.0295735 L1 galn E.U. 128 onzas fluidasAlgunas
constantes fsicasConstante universal de los gases Ru 8.31447
kJ/kmol K 8.31447 kPa m3/kmol K 0.0831447 bar m3/kmol K 82.05 L
atm/kmol K 1.9858 Btu/lbmol R 1 545.35 ft lbf/lbmol R 10.73 psia
ft3/lbmol RAceleracin estndar de la gravedad g 9.80665 m/s2 32.174
ft/s2Presin atmosfrica estndar 1 atm 101.325 kPa 1.01325 bar 14.696
psia 760 mmHg (0C) 29.9213 inHg (32F) 10.3323 mH2O (4C)Constante de
Stefan-Boltzmann s 5.6704 108W/m2 K4 0.1714 108Btu/h ft2
R4Constante de Boltzmann k 1.380650 1023J/KVelocidad de la luz en
vaco c 2.9979 108m/s 9.836 108ft/sVelocidad del sonido en aire seco
a 0C y 1 atm C 331.36 m/s 1 089 ft/sCalor de fusin del agua a 1 atm
hif 333.7 kJ/kg 143.5 Btu/lbmCalor de vaporizacin del agua a 1 atm
hfg 2 257.1 kJ/kg 970.4 Btu/lbmCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page
i
3. Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page ii
4. T R A N S F E R E N C I AD E C A L O R Y M A S AUN ENFOQUE
PRCTICOCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page iii
5. Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page iv
6. MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOAMADRID
NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGOAUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA
DELHISAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTOYUNUS A.
ENGELUniversity of Nevada, RenoRevisor tcnicoSofa FaddeevaInstituto
Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey,Campus Estado de
MxicoT R A N S F E R E N C I AD E C A L O R Y M A S AUN ENFOQUE
PRCTICOCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page v
7. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo
CastellanosDirector Editorial: Ricardo del Bosque AlaynEditor
sponsor: Pablo Eduardo Roig VzquezEditora de desarrollo: Ana Laura
Delgado RodrguezSupervisor de produccin: Zeferino Garca
GarcaTraduccin: Jos Hernn Prez CastellanosJavier Enrquez
BritoTRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA. Un enfoque prcticoProhibida la
reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin
la autorizacin escrita del editor.DERECHOS RESERVADOS 2007,
respecto a la tercera edicin en espaol
porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of
The McGraw-Hill Companies, Inc.Edificio Punta Santa FeProlongacin
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. 736ISBN-13:
978-970-10-6173-2ISBN-10: 970-10-6173-XTraducido de la tercera
edicin de: Heat and Mass Transfer. A Practical ApproachCopyright
2007 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights
reserved.ISBN-13: 978-0-07-312930-3ISBN-10: 0-07-312930-51234567890
09865432107Impreso en Mxico Printed in MexicoCengel-Prel 1/4/07
3:23 PM Page vi
8. Yunus A. engel es profesor de Ingeniera Mecnica en la
Universidadde Nevada en Reno. Recibi su grado de doctor en
Ingeniera Mecnica en laUniversidad Estatal de Carolina del Norte en
1984. Sus reas de investigacinson la energa renovable, la
desalinizacin, el anlisis de la energa, el mejo-ramiento de la
transferencia de calor, la transferencia de calor por radiacin yla
conservacin de la energa. Ha fungido como director del Industrial
Assess-ment Center (IAC) en la Universidad de Nevada en Reno, de
1996 a 2000. Haconducido equipos de estudiantes de ingeniera a
numerosas instalaciones indus-triales en el norte de Nevada y
California para efectuar evaluaciones industria-les y ha preparado
informes sobre conservacin de la energa, minimizacinde los desechos
y mejoramiento de la productividad para ellas.El doctor engel es el
coautor de libros de texto ampliamente aceptados.Termodinmica: una
aproximacin a la ingeniera (2002), ahora en su cuartaedicin, y
Fundamentos de ciencias de termofluidos (2001), los dos publica-dos
por McGraw-Hill. Tambin es autor del libro de texto Introduction
toThermodynamics and Heat Transfer (1997) publicado por
McGraw-Hill. Al-gunos de sus libros de texto han sido traducidos al
chino, japons, coreano, es-paol, turco, italiano y griego.El doctor
engel ha recibido varios premios sobresalientes en el mbito dela
enseanza. Recibi el premio ASEE Meriam/Wiley como autor
distinguidoen 1992 y, una vez ms, en 2000.El doctor engel es
ingeniero profesional registrado en el estado de Nevada yes miembro
de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecnicos (ASME,por sus
siglas en ingls) y la Sociedad Estadounidense para la Educacin
enIngeniera (ASEE, por sus siglas en ingls).A C E R C A D E L A U T
O RCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page vii
9. C A P T U L O U N OINTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS 1C A P T U
L O D O SECUACIN DE LA CONDUCCIN DE CALOR 61C A P T U L O T R E
SCONDUCCIN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO 131C A P T U L O C U A T
R OCONDUCCIN DE CALOR EN RGIMEN TRANSITORIO 217C A P T U L O C I N
C OMTODOS NUMRICOS EN LA CONDUCCIN DE CALOR 285C A P T U L O S E I
SFUNDAMENTOS DE LA CONVECCIN 355C A P T U L O S I E T ECONVECCIN
EXTERNA FORZADA 395C A P T U L O O C H OCONVECCIN INTERNA FORZADA
451C A P T U L O N U E V ECONVECCIN NATURAL 503C A P T U L O D I E
ZEBULLICIN Y CONDENSACIN 561C A P T U L O O N C EINTERCAMBIADORES
DE CALOR 609C A P T U L O D O C EFUNDAMENTOS DE LA RADIACIN TRMICA
663C A P T U L O T R E C ETRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIN 709C
A P T U L O C A T O R C ETRANSFERENCIA DE MASA 773A P N D I C E
1TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INTERNACIONAL) 841A P N
D I C E 2TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INGLS) 869C O N
T E N I D O B R E V EviiiCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page viii
10. Prefacio xvC A P T U L O U N OINTRODUCCIN Y CONCEPTOS
BSICOS 11-1 Termodinmica y transferencia de calor 2reas de
aplicacin de la transferencia de calor 3Fundamentos histricos 31-2
Transferencia de calor en la ingeniera 4Elaboracin de modelos en la
transferencia de calor 51-3 Calor y otras formas de energa 6Calores
especficos de gases, lquidos y slidos 7Transferencia de la energa
91-4 Primera ley de la termodinmica 11Balance de energa para
sistemas cerrados(masa fija) 12Balance de energa para sistemas de
flujoestacionario 12Balance de energa en la superficie 131-5
Mecanismos de transferencia de calor 171-6 Conduccin
17Conductividad trmica 19Difusividad trmica 231-7 Conveccin 251-8
Radiacin 271-9 Mecanismos simultneos de transferenciade calor
301-10 Tcnica de resolucin de problemas 35Software para ingeniera
37Solucionador de ecuacin de ingeniera o EngineeringEquation Solver
(EES) 38Una observacin sobre las cifras significativas 39Tema de
inters especial: Comodidad trmica 40Resumen 46Bibliografa y
lecturas sugeridas 47Problemas 47C A P T U L O D O SECUACIN DE LA
CONDUCCIN DE CALOR 612-1 Introduccin 62Transferencia de calor
estable en comparacincon la transferencia transitoria
63Transferencia de calor multidimensional 64Generacin de calor
662-2 Ecuacin unidimensional de la conduccinde calor 68Ecuacin de
la conduccin de calor en una pared planagrande 68Ecuacin de la
conduccin de calor en un cilindro largo 70Ecuacin de la conduccin
de calor en una esfera 71Ecuacin unidimensional combinada de la
conduccinde calor 722-3 Ecuacin general de conduccin de calor
74Coordenadas rectangulares 74Coordenadas cilndricas 75Coordenadas
esfricas 762-4 Condiciones de frontera e iniciales 771 Condicin de
frontera de temperatura especfica 782 Condicin de frontera de flujo
especfico de calor 793 Condicin de conveccin de frontera 814
Condicin de radiacin de frontera 825 Condiciones de frontera en la
interfase 836 Condiciones de frontera generalizadas 842-5 Resolucin
de problemas unidimensionalesde conduccin de calor en estado
estable 862-6 Generacin de calor en un slido 972-7 Conductividad
trmica variable, k(T) 104Tema de inters especial:Un breve repaso de
las ecuaciones diferenciales 107Resumen 111Bibliografa y lecturas
sugeridas 112Problemas 113C A P T U L O T R E SCONDUCCIN DE CALOR
EN ESTADOESTACIONARIO 1313-1 Conduccin de calor en estado estable
en paredesplanas 132El concepto de resistencia trmica 133Red de
resistencias trmicas 135Paredes planas de capas mltiples 1373-2
Resistencia trmica por contacto 1423-3 Redes generalizadas de
resistenciastrmicas 1473-4 Conduccin de calor en cilindros y
esferas 150Cilindros y esferas con capas mltiples 1523-5 Radio
crtico de aislamiento 156C O N T E N I D OixCengel-Prel 1/4/07 3:23
PM Page ix
11. 3-6 Transferencia de calor desde superficiescon aletas
159Ecuacin de la aleta 160Eficiencia de la aleta 164Efectividad de
la aleta 166Longitud apropiada de una aleta 1693-7 Transferencia de
calor en configuracionescomunes 174Tema de inters
especial:Transferencia de calor a travs de paredes y techos
179Resumen 189Bibliografa y lecturas sugeridas 191Problemas 191C A
P T U L O C U A T R OCONDUCCIN DE CALOR EN RGIMENTRANSITORIO 2174-1
Anlisis de sistemas concentrados 218Criterios para el anlisis de
sistemas concentrados 219Algunas observaciones sobre la
transferencia de caloren sistemas concentrados 2214-2 Conduccin de
calor en rgimen transitorioen paredes planas grandes, cilindros
largosy esferas con efectos espaciales 224Problema de conduccin
transitoria unidimensional,en forma adimensional 2254-3 Conduccin
de calor en rgimen transitorioen slidos semiinfinitos 240Contacto
de dos slidos semiinfinitos 2454-4 Conduccin de calor en rgimen
transitorioen sistemas multidimensionales 248Tema de inters
especial:Refrigeracin y congelacin de alimentos 256Resumen
267Bibliografa y lecturas sugeridas 269Problemas 269C A P T U L O C
I N C OMTODOS NUMRICOS EN LA CONDUCCINDE CALOR 2855-1 Por qu los
mtodos numricos? 2861 Limitaciones 2872 Una mejor elaboracin de
modelos 2873 Flexibilidad 2884 Complicaciones 2885 Naturaleza
humana 2885-2 Formulacin en diferencias finitas de
ecuacionesdiferenciales 2895-3 Conduccin unidimensional de calor en
estadoestacionario 292Condiciones de frontera 2945-4 Conduccin
bidimensional de calor en estadoestacionario 302Nodos frontera
303Fronteras irregulares 3075-5 Conduccin de calor en
rgimentransitorio 311Conduccin de calor en rgimen transitorio en
una paredplana 313Conduccin bidimensional de calor en
rgimentransitorio 324Tema de inters especial:Control del error
numrico 329Resumen 333Bibliografa y lecturas sugeridas 334Problemas
334C A P T U L O S E I SFUNDAMENTOS DE LA CONVECCIN 3556-1
Mecanismo fsico de la conveccin 356Nmero de Nusselt 3586-2
Clasificacin de los flujos de fluidos 359Regin viscosa en
comparacin con la no viscosa 359Flujo interno en comparacin con el
externo 359Flujo compresible en comparacincon el incompresible
360Flujo laminar en comparacin con el turbulento 360Flujo natural
(o no forzado) en comparacincon el forzado 360Flujo estacionario en
comparacincon el no estacionario 361Flujos unidimensional,
bidimensionaly tridimensional 3616-3 Capa lmite de la velocidad
362Esfuerzo cortante superficial 3636-4 Capa lmite trmica 364Nmero
de Prandtl 3656-5 Flujos laminar y turbulento 365Nmero de Reynolds
3666-6 Transferencia de calor y de cantidadde movimiento en el
flujo turbulento 3676-7 Deduccin de las ecuaciones diferencialesde
la conveccin 369Ecuacin de la conservacin de la masa 370Las
ecuaciones de la cantidadde movimiento 370Ecuacin de la conservacin
de la energa 372xCONTENIDOCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page x
12. CONTENIDOxi6-8 Soluciones de las ecuaciones de
conveccinpara una placa plana 376La ecuacin de la energa 3786-9
Ecuaciones adimensionales de la convecciny semejanza 3806-10 Formas
funcionales de los coeficientesde friccin y de conveccin 3816-11
Analogas entre la cantidad de movimientoy la transferencia de calor
382Tema de inters especial:Transferencia de calor a microescala
385Resumen 388Bibliografa y lecturas sugeridas 389Problemas 390C A
P T U L O S I E T ECONVECCIN EXTERNA FORZADA 3957-1 Fuerza de
resistencia al movimientoy transferencia de calor en el
flujoexterno 396Resistencia al movimiento debida a la fricciny la
presin 396Transferencia de calor 3987-2 Flujo paralelo sobre placas
planas 399Coeficiente de friccin 400Coeficiente de transferencia de
calor 401Placa plana con tramo inicial no calentado 403Flujo
uniforme de calor 4037-3 Flujo a travs de cilindros y esferas
408Efecto de la aspereza de la superficie 410Coeficiente de
transferencia de calor 4127-4 Flujo a travs de bancos de tubos
417Cada de presin 420Tema de inters especial:Reduccin de la
transferencia de calor a travsde superficies: aislamiento trmico
423Resumen 434Bibliografa y lecturas sugeridas 435Problemas 436C A
P T U L O O C H OCONVECCIN INTERNA FORZADA 4518-1 Introduccin
4528-2 Velocidad y temperatura promedios 453Flujos laminar y
turbulento en tubos 4548-3 La regin de entrada 455Longitudes de
entrada 4578-4 Anlisis trmico general 458Flujo constante de calor
en la superficie(qs constante) 459Temperatura superficial
constante(Ts constante) 4608-5 Flujo laminar en tubos 463Cada de
presin 465Perfil de temperatura y el nmero de Nusselt 467Flujo de
calor en la superficie 467Temperatura superficial constante
468Flujo laminar en tubos no circulares 469Desarrollo del flujo
laminar en la reginde entrada 4708-6 Flujo turbulento en tubos
473Superficies speras 475Desarrollo del flujo turbulento en la
reginde entrada 476Flujo turbulento en tubos no circulares 476Flujo
por la seccin anular entre tubosconcntricos 477Mejoramiento de la
transferencia de calor 477Tema de inters especial:Flujo de
transicin en tubos 482Resumen 490Bibliografa y lecturas sugeridas
491Problemas 492C A P T U L O N U E V ECONVECCIN NATURAL 5039-1
Mecanismo fsico de la conveccinnatural 5049-2 Ecuacin del
movimiento y el nmerode Grashof 507El nmero de Grashof 5099-3
Conveccin natural sobre superficies 510Placas verticales (Ts
constante) 512Placas verticales (qs constante) 512Cilindros
verticales 512Placas inclinadas 512Placas horizontales 513Cilindros
horizontales y esferas 5139-4 Conveccin natural desde superficies
con aletasy PCB 517Enfriamiento por conveccin natural de
superficiescon aletas (Ts constante) 517Enfriamiento por conveccin
natural de PCB verticales(qs constante) 518Gasto de masa por el
espacio entre placas 5199-5 Conveccin natural dentro de
recintoscerrados 521Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xi
13. xiiCONTENIDOConductividad trmica efectiva 522Recintos
cerrados rectangulares horizontales 523Recintos cerrados
rectangulares inclinados 523Recintos cerrados rectangulares
verticales 524Cilindros concntricos 524Esferas concntricas
525Conveccin natural y radiacin combinadas 5259-6 Conveccin natural
y forzadacombinadas 530Tema de inters especial:Transferencia de
calor a travs de ventanas 533Resumen 543Bibliografa y lecturas
sugeridas 544Problemas 546C A P T U L O D I E ZEBULLICIN Y
CONDENSACIN 56110-1 Transferencia de calor en la ebullicin 56210-2
Ebullicin en estanque 564Regmenes de ebullicin y la curva de
ebullicin 564Correlaciones de la transferencia de calor en la
ebullicinen estanque 568Mejoramiento de la transferencia de calor
en la ebullicinen estanque 57210-3 Ebullicin en flujo 57610-4
Transferencia de calor en la condensacin 57810-5 Condensacin en
pelcula 578Regmenes de flujo 580Correlaciones de la transferencia
de calor parala condensacin en pelcula 58110-6 Condensacin en
pelcula dentro de tuboshorizontales 59110-7 Condensacin por gotas
591Tema de inters especial:Tubos de calor 592Resumen 597Bibliografa
y lecturas sugeridas 599Problemas 599C A P T U L O O N C
EINTERCAMBIADORES DE CALOR 60911-1 Tipos de intercambiadores de
calor 61011-2 El coeficiente de transferenciade calor total
612Factor de incrustacin 61511-3 Anlisis de los intercambiadores de
calor 62011-4 Mtodo de la diferencia de temperatura medialogartmica
622Intercambiadores de calor a contraflujo 624Intercambiadores de
calor de pasos mltiples y de flujocruzado: Uso de un factor de
correccin 62511-5 Mtodo de la efectividad-NTU 63111-6 Seleccin de
los intercambiadores de calor 642Razn de transferencia del calor
642Costo 642Potencia para el bombeo 643Tamao y peso 643Tipo
643Materiales 643Otras consideraciones 644Resumen 645Bibliografa y
lecturas sugeridas 646Problemas 647C A P T U L O D O C EFUNDAMENTOS
DE LA RADIACINTRMICA 66312-1 Introduccin 66412-2 Radiacin trmica
66512-3 Radiacin de cuerpo negro 66712-4 Intensidad de radiacin
673ngulo slido 674Intensidad de la radiacin emitida 675Radiacin
incidente 676Radiosidad 677Cantidades espectrales 67712-5
Propiedades de radiacin 679Emisividad 680Absortividad,
reflectividad y transmisividad 684Ley de Kirchhoff 686El efecto de
invernadero 68712-6 Radiacin atmosfrica y solar 688Tema de inters
especial:Ganancia de calor solar a travs de las ventanas 692Resumen
699Bibliografa y lecturas sugeridas 701Problemas 701C A P T U L O T
R E C ETRANSFERENCIA DE CALORPOR RADIACIN 70913-1 El factor de
visin 710Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xii
14. CONTENIDOxiii13-2 Relaciones del factor de visin 7131 La
relacin de reciprocidad 7142 La regla de la suma 7173 La regla de
superposicin 7194 La regla de simetra 720Factores de visin entre
superficies infinitamente largas:el mtodo de las cuerdas cruzadas
72213-3 Transferencia de calor por radiacin:superficies negras
72413-4 Transferencia de calor por radiacin:superficies grises y
difusas 727Radiosidad 727Transferencia neta de calor por radiacin
hacia unasuperficie o desde una superficie 727Transferencia neta de
calor por radiacin entre dossuperficies cualesquiera 729Mtodos de
resolucin de problemassobre radiacin 730Transferencia de calor por
radiacin en recintos cerradosde dos superficies 731Transferencia de
calor por radiacin en recintos cerradosde tres superficies 73313-5
Blindajes contra la radiacin y el efectode la radiacin 739Efecto de
la radiacin sobre las medicionesde temperatura 74113-6 Intercambio
de radiacin con gases emisoresy absorbentes 743Propiedades
relativas a la radiacin de un medioparticipante 744Emisividad y
absortividad de gases y mezclasde ellos 746Tema de inters
especial:Transferencia de calor desde el cuerpohumano 753Resumen
757Bibliografa y lecturas sugeridas 759Problemas 759C A P T U L O C
A T O R C ETRANSFERENCIA DE MASA 77314-1 Introduccin 77414-2
Analoga entre la transferencia de masay la de calor 775Temperatura
776Conduccin 776Generacin de calor 776Conveccin 77714-3 Difusin de
masa 7771 Base msica 7782 Base molar 778Caso especial: Mezclas de
gases ideales 779Ley de Fick de difusin: Medio en reposo que
constade dos especies 77914-4 Condiciones de frontera 78314-5
Difusin estacionaria de masa a travsde una pared 78814-6 Migracin
del vapor de aguaen los edificios 79214-7 Difusin transitoria de
masa 79614-8 Difusin en un medio en movimiento 799Caso especial:
Mezclas de gases a presin y temperaturaconstantes 803Difusin del
vapor a travs de un gas estacionario:Flujo de Stefan
804Contradifusin equimolar 80614-9 Conveccin de masa 810Analoga
entre los coeficientes de friccin, la transferenciade calor y de
transferencia de masa 814Limitacin sobre la analoga de la
conveccincalor-masa 816Relaciones de conveccin de masa 81614-10
Transferencia de calor y de masa 819Resumen 825Bibliografa y
lecturas sugeridas 827Problemas 828A P N D I C E 1TABLAS Y
DIAGRAMAS DE PROPIEDADES(SISTEMA INTERNACIONAL) 841Tabla A-1 Masa
molar, gas constantey calores especficos de ciertassustancias
842Tabla A-2 Propiedades en los puntos deebullicin y de congelacin
843Tabla A-3 Propiedades de metalesslidos 844-846Tabla A-4
Propiedades de no metalesslidos 847Tabla A-5 Propiedades de
materiales deconstruccin 848-849Tabla A-6 Propiedades de
materialesaislantes 850Tabla A-7 Propiedades de alimentoscomunes
851-852Tabla A-8 Propiedades de diversosmateriales 853Tabla A-9
Propiedades del agua saturada 854Tabla A-10 Propiedades del
refrigerante 134asaturado 855Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page
xiii
15. xivCONTENIDOTabla A-11 Propiedades del amoniacosaturado
856Tabla A-12 Propiedades del propanosaturado 857Tabla A-13
Propiedades de lquidos 858Tabla A-14 Propiedades de metales lquidos
859Tabla A-15 Propiedades del aire a la presinde 1 atm 860Tabla
A-16 Propiedades de gases a la presinde 1 atm 861-862Tabla A-17
Propiedades de la atmsfera a granaltitud 863Tabla A-18 Emisividades
de lassuperficies 864-865Tabla A-19 Propiedades relativasa la
radiacin solar de losmateriales 866Figura A-20 Diagrama de Moody
del factorde friccin para flujocompletamente desarrolladoen tubos
circulares 867A P N D I C E 2TABLAS Y DIAGRAMAS DE
PROPIEDADES(SISTEMA INGLS) 869Tabla A-1I Masa molar, gas constantey
calores especficos de ciertassustancias 870Tabla A-2I Propiedades
en los puntos deebullicin y de congelacin 871Tabla A-3I Propiedades
de metalesslidos 872-873Tabla A-4I Propiedades de no metalesslidos
874Tabla A-5I Propiedades de materiales deconstruccin 875-876Tabla
A-6I Propiedades de materialesaislantes 877Tabla A-7I Propiedades
de alimentoscomunes 878-879Tabla A-8I Propiedades de
diversosmateriales 880Tabla A-9I Propiedades del agua saturada
881Tabla A-10I Propiedades del refrigerante 134asaturado 882Tabla
A-11I Propiedades del amoniacosaturado 883Tabla A-12I Propiedades
del propanosaturado 884Tabla A-13I Propiedades de lquidos 885Tabla
A-14I Propiedades de metales lquidos 886Tabla A-15I Propiedades del
aire a la presinde 1 atm 887Tabla A-16I Propiedades de gases a la
presinde 1 atm 888-889Tabla A-17I Propiedades de la atmsfera a
granaltitud 890NDICE 891Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xiv
16. FUNDAMENTOSLa transferencia de calor y de masa es una
ciencia bsica que trata de larapidez de transferencia de energa
trmica. Tiene una amplia rea deaplicacin que va desde los sistemas
biolgicos hasta los aparatos doms-ticos comunes, pasando por los
edificios residenciales y comerciales, los pro-cesos industriales,
los aparatos electrnicos y el procesamiento de alimentos.Para este
curso, se parte de la idea que los estudiantes tienen bases
adecuadasen clculo y fsica. Igualmente, resulta conveniente
completar los primeroscursos en termodinmica, mecnica de fluidos y
ecuaciones diferencialesantes de abordar el estudio de la
transferencia de calor. Sin embargo, los con-ceptos pertinentes que
pertenecen a estos temas son presentados y revisadossegn se va
necesitando.OBJETIVOSEste libro est dirigido a los estudiantes de
ingeniera de licenciatura, en su se-gundo o tercer ao, y a
ingenieros en ejercicio de su profesin, como libro deconsulta. Los
objetivos de este texto son: Cubrir los principios bsicos de la
transferencia de calor. Presentar una gran cantidad de ejemplos de
ingeniera del mundo realpara dar a los estudiantes un sentido
acerca de cmo se aplica la trans-ferencia de calor en la prctica de
la ingeniera. Desarrollar una comprensin intuitiva de la
transferencia de calor, al re-saltar la fsica y los argumentos
fsicos.Esperamos que este libro, a travs de sus cuidadosas
explicaciones de los con-ceptos y del uso de numerosos ejemplos
prcticos y figuras, ayude a los estu-diantes a desarrollar las
habilidades necesarias para tender un puente entre labrecha del
conocimiento y la confianza para su apropiada aplicacin.En la
prctica de la ingeniera, cada vez est cobrando ms importancia
con-tar con cierta comprensin de los mecanismos de la transferencia
de calor, yaque sta desempea un papel crtico en el diseo de
vehculos, plantas gene-radoras de energa elctrica, refrigeradores,
aparatos electrnicos, edificios ypuentes, entre otras cosas.
Incluso un chef necesita tener una comprensin in-tuitiva del
mecanismo de la transferencia de calor para cocinar los alimentosde
manera correcta, ajustando la rapidez con que se da esa
transferencia.Puede ser que no estemos conscientes de ello, pero
aplicamos los principiosde la transferencia de calor cuando
buscamos la comodidad trmica. Aislamosnuestros cuerpos al cubrirlos
con gruesos abrigos en invierno y minimizamosla ganancia de calor
por radiacin al permanecer en lugares sombreados du-rante el
verano. Aceleramos el enfriamiento de los alimentos calientes al
so-plar sobre ellos y nos mantenemos calientes en el tiempo fro al
abrazarnos y,de este modo, minimizar el rea superficial expuesta.
Es decir, aplicamos co-tidianamente la transferencia de calor, nos
demos o no cuenta de ello.ENFOQUE GENERALEste trabajo es el
resultado de un intento por tener un libro de texto para uncurso
sobre transferencia de calor con orientacin prctica, dirigido a los
es-tudiantes de ingeniera. En el texto se cubren los temas estndar
de la trans-CAPTULO 4xvP R E F A C I OxvCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM
Page xv
17. ferencia de calor, resaltando las aplicaciones de la fsica
y del mundo real.Este enfoque est ms alineado con la intuicin de
los estudiantes y hace quese disfrute ms el aprendizaje de la
materia.La filosofa que contribuy a la sorprendente popularidad de
las edicionesanteriores de este libro ha permanecido inalterada en
esta edicin. A saber,nuestra meta ha sido ofrecer un libro de texto
para ingeniera que: Se comunique directamente con las mentes de los
ingenieros del maanade una manera sencilla y, no obstante, precisa.
Conduzca a los estudiantes hacia una comprensin clara y una
captacinfirme de los principios bsicos de la transferencia de
calor. Aliente el pensamiento creativo y desarrolle una comprensin
ms pro-funda y una sensacin intuitiva de la transferencia de calor.
Sea ledo por los estudiantes con inters y entusiasmo, en lugar de
quese use como una ayuda para resolver problemas.Se ha hecho un
esfuerzo especial a fin de recurrir a la curiosidad natural de
losestudiantes y para ayudarles a examinar las diversas facetas de
la excitanterea de contenido de la transferencia de calor. La
entusiasta respuesta querecibimos de los usuarios de las ediciones
anteriores desde las pequeashasta las grandes universidades en todo
el mundo indica que nuestros obje-tivos se han alcanzado en gran
medida. Nuestra filosofa se basa en que lamejor manera de aprender
es a travs de la prctica. Por lo tanto, a lo largo detodo el libro
se ha realizado un esfuerzo especial para reforzar el material
quese present con anterioridad.Los ingenieros de ayer consumieron
gran parte de su tiempo sustituyendovalores en las frmulas y
obteniendo los resultados numricos. Sin embargo,en la actualidad,
las manipulaciones de las frmulas y la trituracin de losnmeros se
estn dejando a las computadoras. El ingeniero de maana tendrque
contar con una clara comprensin y una firme captacin de los
principiosbsicos, de modo que pueda entender incluso los problemas
ms complejos,formularlos e interpretar los resultados. Se hace un
esfuerzo consciente pararesaltar estos principios bsicos, dando al
mismo tiempo a los estudiantes unaperspectiva acerca de cmo usar
las herramientas en la prctica de la inge-niera.LO NUEVO EN ESTA
EDICINSe conservaron todas las caractersticas bsicas de la edicin
anterior al mismotiempo que se agregan nuevas. El cuerpo principal
del texto permanece en granparte inalterado, excepto que se ampli
la cobertura de la conveccin forzada atres captulos y la cobertura
de la radiacin, a dos. Los tres captulos de aplica-ciones se
eliminaron para mantener el libro en un tamao
razonable.Acontinua-cin, se resaltan los cambios ms significativos
en esta edicin.UN TTULO NUEVOEl ttulo del libro se cambia a
Transferencia de calor y masa: Un enfoqueprctico con el fin de
atraer la atencin hacia la cobertura del tema de la trans-ferencia
de masa. Todo lo relacionado con esta ltima, incluida la
conveccinde masa y la migracin del vapor a travs de los materiales
de construccin,se introduce en un captulo completo (captulo
14).COBERTURA AMPLIADA DE LA CONDUCCINTRANSITORIAEn esta ocasin, la
cobertura del captulo 14, Conduccin transitoria del calor,se ampla
para incluir 1) la deduccin de los nmeros adimensionales de
BiotxviPREFACIOCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xvi
18. y de Fourier, al presentar en forma no dimensional la
ecuacin de conduccindel calor as como las condiciones en la
frontera e inicial, 2) la deduccin delas soluciones analticas de
una ecuacin de conduccin transitoria unidimen-sional, aplicando el
mtodo de separacin de variables, 3) la deduccin de lasolucin de una
ecuacin de conduccin transitoria en el medio semiinfinito,aplicando
una variable de semejanza y 4) las soluciones de la
conduccintransitoria del calor en medios semiinfinitos, para
diferentes condiciones en lafrontera, como flujo especificado de
calor y pulso de energa en la superficie.PROBLEMAS DE EXAMEN DE
FUNDAMENTOSDE INGENIERA (FI)Para preparar a los estudiantes para el
Fundamentals of Engineering Exam(Examen de Fundamentos de
Ingeniera), que se est volviendo ms importantepara los criterios
ABET 2000 basados en los resultados, y a fin de facilitar
laspruebas de seleccin mltiple, al trmino de los conjuntos de
problemas decada captulo, se incluye alrededor de 250 problemas de
seleccin mltiple.Para reconocerlos con facilidad, estn colocados
bajo el ttulo de Problemasde examen de fundamentos de ingeniera
(FI). Estos problemas estn pensa-dos para comprobar la comprensin
de los fundamentos y para ayudar a loslectores a evitar las
equivocaciones comunes.TRANSFERENCIA DE CALORA MICROESCALALas
invenciones recientes de sistemas a microescala y nanoescala, as
como eldesarrollo de aparatos a microescala y nanoescala continan
planteandonuevos retos; asimismo, la comprensin del flujo de
fluidos y de la transfe-rencia de calor a esas escalas se est
volviendo ms importante cada da. En elcaptulo 6 se presenta la
transferencia de calor a microescala como un tema deinters
especial.CAMBIOS EN EL CONTENIDO Y REORGANIZACINDEL MISMOCon
excepcin de los cambios ya mencionados, se hacen pequeas
modifica-ciones en el cuerpo principal del texto, se agregan casi
400 problemas nuevosy se revisan muchos de los existentes.
Enseguida se resumen los cambios quevale la pena hacer notar: El
ttulo del captulo 1 se cambia a Introduccin y conceptos
bsicos.Algunas ilustraciones se reemplazan por fotografas y se
eliminan variosproblemas de repaso sobre la primera ley de la
termodinmica. El captulo 4, Conduccin transitoria del calor, se
revisa en gran parte,como se explic con anterioridad, para incluir
los fundamentos tericosy los detalles matemticos de las soluciones
analticas. En el captulo 6 ahora se tiene el tema Transferencia de
calor a micro-escala, contribucin del Dr. Subrata Roy, de la
Kettering University. En el captulo 8 ahora se tiene el tema Flujo
de transicin en tubos,contribucin del Dr. Afshin Ghajar, de la
Oklahoma State University. El captulo 13, Intercambiadores de
calor, se convierte en el captulo 11.COMPLEMENTOSEsta obra cuenta
con interesantes complementos que fortalecen los procesosde
enseanza-aprendizaje, as como la evaluacin de los mismos, los
cuales seotorgan a profesores que adoptan este texto para sus
cursos. Para obtener msinformacin y conocer la poltica de entrega
de estos materiales, contacte asu representante
McGraw-Hill.PREFACIOxviiCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xvii
19. RECONOCIMIENTOSMe gustara manifestar mi reconocimiento, con
aprecio, a los numerosos yvaliosos comentarios, sugerencias, crtica
constructiva y elogios de los evalua-dores y revisores
siguientes:Suresh Advani,University of DelawareMark
Barker,Louisiana Tech UniversityJohn R. Biddle,California State
PolytechnicUniversity, PomonaSanjeev Chandra,University of
TorontoShaochen Chen,University of Texas, AustinFan-Bill
Cheung,Pennsylvania State UniversityVic A. Cundy,Montana State
UniversityRadu Danescu,North Dakota State UniversityPrashanta
Dutta,Washington State UniversityRichard A. Gardner,Washington
UniversityAfshin J. Ghajar,Oklahoma State UniversityS. M.
Ghiaasiaan,Georgia Institute of TechnologyAlain Kassab,University
of Central FloridaRoy W. Knight,Auburn
UniversityxviiiPREFACIOMilivoje Kostic,Northern Illinois
UniversityWayne Krause,South Dakota School of Minesand
TechnologyFeng C. Lai,University of OklahomaCharles Y.
Lee,University of North Carolina, CharlotteAlistair
Macpherson,Lehigh UniversitySaeed Manafzadeh,University of
IllinoisA.K. Mehrotra,University of CalgaryAbhijit
Mukherjee,Rochester Institute of TechnologyYoav Peles,Rensselaer
Polytechnic InstituteAhmad Pourmovahed,Kettering UniversityPaul
Ricketts,New Mexico State UniversitySubrata Roy,Kettering
UniversityBrian Sangeorzan,Oakland UniversityMichael
Thompson,McMaster UniversitySus sugerencias han ayudado mucho a
mejorar la calidad de este texto.Merecen un agradecimiento especial
Afshin J. Ghajar, de la Oklahoma StateUniversity, y Subrata Roy, de
la Kettering University, por colaborar con sec-ciones y problemas
nuevos, as como las siguientes personas, por hacerlo conproblemas
para esta edicin:Edward Anderson, Texas Tech UniversityRadu
Danescu, General Electric (GE) EnergyCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM
Page xviii
20. PREFACIOxixIbrahim Dincer, University of Ontario Institute
of Technology, CanadMehmet Kanoglu, Universidad de Gaziantep,
TurquaWayne Krause, South Dakota School of MinesAnil Mehrotra,
University of Calgary, CanadTambin me gustara dar las gracias a mis
estudiantes y profesores de todaspartes del mundo, quienes
suministraron una gran cantidad de retroali-mentacin desde las
perspectivas de estudiantes y usuarios. Por ltimo, megustara
manifestar mi aprecio a mi esposa y mis hijos por su paciencia,
com-prensin y apoyo continuos durante toda la preparacin de este
texto.Yunus A. engelAgradecemos en especial la valiosa contribucin
de los siguientes asesorestcnicos para la presente edicin en
espaol:Juan Manuel Velzquez, Instituto Politcnico Nacional-ESIME,
UnidadCulhuacnPedro Rochn Angulo, Instituto Tecnolgico de
CuliacnJuan Cruz Olivares, Instituto Tecnolgico y de Estudios
Superiores deMonterrey, Campus TolucaArmando Sanson Ortega,
Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores deMonterrey, Campus
Tolucalvaro Ochoa Lpez, Instituto Tecnolgico y de Estudios
Superiores deOccidenteRodolfo Gmez Aguilar, Instituto Tecnolgico de
los MochisHidelberto Hernndez Fras, Instituto Tecnolgico de los
MochisFortunato Ramos Valenzuela, Instituto Tecnolgico de los
MochisCesario Najar, Instituto Tecnolgico de MazatlnAntonio
Vizcarra, Instituto Tecnolgico de MazatlnJos Antonio Vaca Garca,
Universidad de GuadalajaraLuis Ros, Universidad de las Amricas,
PueblaBlent Kozanoglu, Universidad de las Amricas, PueblaDaniel
Moreno Hawren, Universidad Autnoma del Estado de MxicoPatricia
Snchez Iturbe, Universidad Autnoma del Estado de MxicoElizabeth
Salinas Barrios, Universidad Autnoma Metropolitana,
UnidadIztapalapaJorge Salcedo Gonzlez, Universidad La SalleJos
Enrique Larios Canales, Universidad Nacional Autnoma de MxicoMara
R. Salazar Ibez, UNITEC, Campus SurJess Daniel Soriano, Instituto
Politcnico Nacional-ESIME, UnidadCulhuacnRicardo Ganem, Instituto
Tecnolgico y de Estudios Superiores deMonterrey, Campus Estado de
MxicoCengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xix
21. NFASIS SOBRELA FSICAEl autor cree que el nfasis de
laeducacin en el nivel licenciaturadebe mantenerse en el
desarrollode un sentido de los mecanismosfsicos subyacentes y en un
do-minio de la resolucin de proble-mas prcticos que es probable
queel ingeniero encare en el mundoreal.H E R R A M I E N T A S P A
R AM E J O R A R E L A P R E N D I Z A J E R E A L I C EU N R E C O
R R I D O G U I A D O USO EFICAZ DE LAASOCIACINUna mente
observadora no debe tener dificul-tad en entender las ciencias de
ingeniera.Despus de todo, los principios de stas sebasan en
nuestras experiencias cotidianas y enobservaciones experimentales.
Por ejemplo, elproceso de cocinar sirve como un vehculo ex-celente
para demostrar los principios bsicosde la transferencia de
calor.AUTODIDCTICOEl material del texto se introduceen un nivel que
un estudiante pro-medio puede seguir de manera c-moda. Habla a los
estudiantes, nopor encima de los estudiantes. Dehecho, es
autodidctico. El ordende la cobertura es desde lo simplehacia lo
general.La temperatura del aire adyacente al huevo es mselevada y,
por consiguiente, su densidad es ms baja,puesto que a presin
constante la densidad de un gases inversamente proporcional a su
temperatura. Portanto, tenemos una situacin en la que algo de gas
debaja densidad o ligero est rodeado por un gas de al-ta densidad o
pesado y las leyes naturales dictanque el gas ligero suba. Esto no
es diferente a que elaceite en un aderezo para ensalada hecho de
vinagrey aceite suba hacia la parte superior (puesto que raceite
rvinagre). Este fenmeno se caracteriza de maneraincorrecta mediante
la frase el calor sube, la cualdebe entenderse como: el aire
calentado sube. El es-pacio que deja el aire ms caliente en la
vecindad delhuevo es vuelto a llenar por el aire ms fro cercanoy la
presencia de ste en el espacio inmediato al hue-vo acelera el
proceso de enfriamiento. La subida delaire ms caliente y el flujo
del ms fro para ocuparsu lugar continan hasta que el huevo se enfra
hastala temperatura del aire
circundante.HUEVOCALIENTETransferen-cia de
calorAirecalienteAirefroFIGURA 9-1Enfriamiento de un huevo cocido
en unmedio ambiente ms fro por conveccinnatural.EJEMPLO 4-3
Cocimiento de huevosUn huevo comn se puede considerar como una
esfera de 5 cm de dimetro(figura 4-21). Inicialmente el huevo est a
una temperatura uniforme de 5C yse deja caer en agua hirviendo a
95C. Tomando el coeficiente de transferenciade calor por conveccin
como h 1 200 W/m2 C, determine cunto tiempotranscurrir para que el
centro del huevo llegue a los 70C.SOLUCIN Se cuece un huevo en agua
hirviendo. Se debe determinar el tiem-po de cocimiento del
huevo.Suposiciones 1 El huevo tiene forma esfrica con un radio de
r0 2.5 cm. 2 Laconduccin de calor en el huevo es unidimensional
debido a la simetra trmi-ca con respecto al punto medio. 3 Las
propiedades trmicas del huevo y el coe-ficiente de transferencia de
calor son constantes. 4 El nmero de Fourier es >0.2, de modo que
se pueden aplicar las soluciones aproximadas de un
trmino.Efectividad de la aletaLas aletas se usan para mejorar la
transferencia de calor y no se puede reco-mendar su uso a menos que
el mejoramiento de la transferencia justifique elcosto adicional y
la complejidad asociada con ellas. De hecho, no se tiene
laseguridad de que la adicin de aletas sobre una superficie mejorar
la transfe-rencia de calor. El desempeo de las aletas se juzga
sobre la base del mejora-miento en la transferencia de calor
comparado con el caso en el que no se usanaletas. El desempeo de
las aletas, expresado en trminos de la efectividad dela aleta aleta
se define como (figura 3-44)AbAbaleta = TbTbQaletaQsin
aletasQaletaQsin aletasFIGURA 3-44Efectividad de una
aleta.Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xx
22. USO EXTENSO DEILUSTRACIONESLa ilustracin es una importante
herramienta de aprendizajeque ayuda a los estudiantes a obtener la
imagen. La terceraedicin de Transferencia de calor y de masa: Un
enfoque prc-tico contiene ms figuras e ilustraciones que cualquier
otro li-bro de esta categora.HERRAMIENTASxxi70C70C70C70C70Ca) Bola
de cobreb) Rosbif40C90C110COBJETIVOS DEAPRENDIZAJEYRESMENESCada
captulo empiezacon un Panorama ge-neral del material quese va a
cubrir y con losObjetivos de aprendi-zaje especficos del ca-ptulo.
Se incluye unResumen al final decada captulo, que pro-porciona un
repaso r-pido de los conceptosbsicos y de las rela-ciones
importantes, yse seala la pertinenciadel material.INTRODUCCINY
CONCEPTOS BSICOSLa termodinmica trata de la cantidad de
transferencia de calor a medidaque un sistema pasa por un proceso
de un estado de equilibrio a otro y nohace referencia a cunto durar
ese proceso. Pero en la ingeniera a me-nudo estamos interesados en
la rapidez o razn de esa transferencia, la cualconstituye el tema
de la ciencia de la transferencia de calor.Se inicia este captulo
con un repaso de los conceptos fundamentales de latermodinmica,
mismos que forman el armazn para entender la transferenciade calor.
En primer lugar, se presenta la relacin entre el calor y otras
formasde energa y se repasa el balance de energa. A continuacin, se
presentan lostres mecanismos bsicos de la transferencia de calor:
la conduccin, la con-veccin y la radiacin, y se discute la
conductividad trmica. La conduccines la transferencia de energa de
las partculas ms energticas de una sustan-cia hacia las adyacentes,
menos energticas, como resultado de la interaccinentre ellas. La
conveccin es el modo de transferencia de calor entre una
su-perficie slida y el lquido o gas adyacentes que estn en
movimiento, y com-prende los efectos combinados de la conduccin y
del movimiento del fluido.La radiacin es la energa emitida por la
materia en forma de ondas electro-magnticas (o fotones), como
resultado de los cambios en las configuracioneselectrnicas de los
tomos o molculas. Se cierra este captulo con una dis-cusin acerca
de la transferencia simultnea de calor.CAPTULO1CONTENIDO1-1
Termodinmica y transferenciade calor 21-2 Transferencia de calor en
laingeniera 41-3 Calor y otras formasde energa 61-4 Primera ley de
latermodinmica 111-5 Mecanismos de transferenciade calor 171-6
Conduccin 171-7 Conveccin 251-8 Radiacin 271-9 Mecanismos
simultneos detransferencia de calor 301-10 Tcnica de resolucin
deproblemas 35Tema de inters especial:Comodidad trmica 40Resumen
46Bibliografa y lecturassugeridas 47Problemas 47OBJETIVOSCuando el
lector termine de estudiar este captulo, debe ser capaz de:
Entender cmo estn relacionadas entre s la termodinmica y la
transferencia de calor Distinguir la energa trmica de las otras
formas de energa, as como la transferenciade calor de las otras
formas de transferencia de energa Realizar balances generales de
energa y balances de energa superficial Comprender los mecanismos
bsicos de transferencia de calor: la conduccin, la con-veccin y la
radiacin, as como la ley de Fourier de la transferencia de calor
por con-duccin, la ley de Newton del enfriamiento y la ley de
Stefan-Boltzman de la radiacin Identificar los mecanismos de
transferencia de calor que en la prctica ocurren demanera simultnea
Darse cuenta del costo asociado a las prdidas de calor, y Resolver
diversos problemas de transferencia de calor que se encuentran en
la prc-tica.FIGURA 4-1Una bola pequea de cobre se puede vi-sualizar
como un sistema concentrado,pero no es posible con un
rosbif.Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xxi
23. xxiiHERRAMIENTASNUMEROSOSPROBLEMASRESUELTOSCON
UNPROCEDIMIENTOSISTEMTICO DERESOLUCINCada captulo contiene
variosejemplos resueltos que aclaran elmaterial e ilustran el uso
de losprincipios bsicos. En la resolu-cin de los problemas de
ejemplo,se aplica un procedimiento intui-tivo y sistemtico,
manteniendo almismo tiempo un estilo de conver-sacin informal. En
primer lugar,se enuncia el problema y se identi-fican los
objetivos. Enseguida seplantean las hiptesis, junto con
sujustificacin. Si resulta apropiado,se da una lista por separado
de laspropiedades necesarias para resol-ver el problema. Este
procedimien-to tambin se aplica de manera uni-forme en las
soluciones presenta-das en el manual de soluciones
delprofesor.EJEMPLO 1-9 Efecto de la radiacin sobre la comodidad
trmicaEs una experiencia comn sentir escalofro en invierno y
bochorno en el ve-rano en nuestras casas, incluso cuando el ajuste
del termostato se mantieneigual. Esto se debe al llamado efecto de
radiacin, resultante del intercambiode calor por radiacin entre
nuestros cuerpos y las superficies circundantes delas paredes y el
techo.Considere una persona que est parada en un cuarto mantenido a
22C en to-do momento. Se observa que las superficies interiores de
las paredes, pisos y eltecho de la casa se encuentran a una
temperatura promedio de 10C, en invier-no, y de 25C, en verano.
Determine la razn de transferencia de calor por ra-diacin entre
esta persona y las superficies circundantes, si el rea
superficialexpuesta y la temperatura promedio de la superficie
exterior de ella son de 1.4m2y 30C, respectivamente (figura
1-38).SOLUCIN Se van a determinar las razones de transferencia de
calor por ra-diacin entre una persona y las superficies
circundantes que estn a tempera-turas especficas en verano y en
invierno.Suposiciones 1 Existen condiciones estacionarias de
operacin. 2 No se con-sidera la transferencia de calor por
conveccin. 3 La persona est por comple-to rodeada por las
superficies interiores del cuarto. 4 Las superficiescircundantes
estn a una temperatura uniforme.Propiedades La emisividad de una
persona es e 0.95 (tabla 1-6).Anlisis Las razones netas de
transferencia de calor por radiacin del cuerpohacia las paredes,
techo y piso, en invierno y en verano, sonQrad, invierno esAs (T4s
T4alred, invierno)1-94C A menudo encendemos el ventilador en verano
paraque ayude a enfriarnos. Explique de qu manera un ventiladorhace
sentirnos ms fros en el verano. Asimismo, explique porqu algunas
personas usan ventiladores en el techo tambin enel invierno.GRAN
CANTIDAD DE PROBLEMASDEL MUNDO REAL AL FINAL DELCAPTULOLos
problemas que aparecen al final del captulo estn agrupados entemas
especficos con el fin de facilitar la eleccin de los mismos,
tantopara los profesores como para los estudiantes. Dentro de cada
grupo deproblemas se encuentran: De Preguntas de concepto,
identificados con una C, paracomprobar el nivel de comprensin de
los conceptos bsicos porparte del estudiante. Los Problemas de
repaso son de naturaleza ms completa y noestn ligados de manera
directa con alguna seccin especfica deun captulo; en algunos casos
se requiere repasar el material apren-dido en captulos
anteriores.Cuarto30C1.4 m2TalredQradFIGURA 1-38Esquema para el
ejemplo 1-9.Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xxii
24. HERRAMIENTASxxiii Los problemas de Examen de fundamentos de
ingeniera estnmarcados con claridad y pensados para comprobar la
compren-sin de los fundamentos, ayudar a los estudiantes a evitar
lasequivocaciones comunes y a preparar a stos para el FE Exam,que
se est volviendo ms importante para los criterios ABET2000 basados
en resultados.Estos problemas se resuelven con el uso del EES y, en
elCD-ROM adjunto, se incluyen soluciones completas juntocon
estudios paramtricos.Estos problemas son de naturaleza completa y
se pretendeque se resuelvan con computadora, de preferencia con
eluso del programa de cmputo de EES que acompaa aeste texto. Se
pretende que los problemas de Diseo y ensayo alienten a
losestudiantes a hacer juicios de ingeniera para promover el
anli-sis independiente de temas de inters y comunicar sus
hallazgosde una manera profesional.A lo largo de todo el libro, se
incorporan varios problemas de aspec-tos econmicos relacionados con
la seguridad a fin de mejorar la con-ciencia del costo y de la
seguridad entre los estudiantes de ingeniera.Para conveniencia de
los estudiantes, se da una lista de las respuestasa problemas
seleccionados, inmediatamente despus del problema.1-152 Un alambre
elctrico mide 30 cm de largo y 0.5 cm dedimetro, y se utiliza para
determinar en forma experimental elcoeficiente de transferencia de
calor por conveccin en el airea 25C. La temperatura superficial del
alambre se mide y es de230C cuando el consumo de energa elctrica es
de 180 W. Sila prdida de calor por radiacin desde el alambre se
calcula yresulta ser de 60 W, el coeficiente de transferencia de
calor porconveccin es dea) 186 W/m2 C b) 158 W/m2 Cc) 124 W/m2 C d)
248 W/m2 Ce) 190 W/m2 C3-33 Vuelva a considerar el problema 3-31.
Usando elsoftware EES (o cualquier otro semejante), inves-tigue el
efecto de la conductividad trmica sobre el espesor re-querido de
aislamiento. Trace la grfica del espesor del ais-lamiento en funcin
de la conductividad trmica en el rango de0.02 W/m C hasta 0.08 W/m
C y discuta los resultados.3-77 Considere una bebida fra enlatada
en aluminio que estinicialmente a una temperatura uniforme de 4C.
La lata tiene12.5 cm de alto y un dimetro de 6 cm. Si el
coeficiente combi-nado de transferencia de calor por
conveccin/radiacin entre lalata y el aire circundante a 25 C es de
10 W/m2 C, determinecunto tiempo pasar para que la temperatura
promedio de labebida se eleve hasta 15C.En un esfuerzo por hacer ms
lento el calentamiento de la be-bida fra, una persona pone la lata
en un aislamiento cilndricode caucho (k 0.13 W/m C) de 1 cm de
espesor y que ajustaperfectamente. Ahora cunto tiempo pasar para
que la tem-peratura de la bebida se eleve hasta 15C? Suponga que la
partesuperior de la lata no est cubierta.12.5 cm6 cm4CTaire =
25C3-27 Considere una persona parada en un cuarto a 20C conun rea
superficial expuesta de 1.7 m2. La temperatura en laprofundidad del
organismo del cuerpo humano es 37C y laconductividad trmica de los
tejidos cercanos a la piel es alrede-dor de 0.3 W/m C. El cuerpo
est perdiendo calor a razn de150 W, por conveccin natural y
radiacin hacia los alrede-dores. Si se toma como 37C la temperatura
del cuerpo a 0.5 cmpor debajo de la piel, determine la temperatura
de la epidermisde la persona. Respuesta: 35.5CSELECCIN DE
UNIDADESSLO DEL SI O SI/INGLESASComo reconocimiento al hecho de
que, en algunas industrias, todavase usan con amplitud las unidades
inglesas, en este texto se usantanto las unidades del SI como las
inglesas. Este texto se puede usarmediante unidades SI/inglesas
combinadas o slo con las del SI, enfuncin de la preferencia del
profesor. En los apndices, las tablas ygrficas de propiedades, se
presentan ambos tipos de unidades, ex-cepto en el caso de las que
comprenden unidades adimensionales.Para reconocerlos con facilidad,
los problemas, las tablas y las grfi-cas en unidades inglesas se
identifican con una I despus delnmero y los usuarios del SI pueden
ignorarlos.3-29I Se construye una pared de dos capas de tablaroca(k
0.10 Btu/h ft F) de 0.5 in de espesor, la cual es untablero hecho
con dos capas de papel grueso separadas por unacapa de yeso,
colocadas con 7 in de separacin entre ellas. Elespacio entre los
tableros de tablaroca est lleno con ais-lamiento de fibra de vidrio
(k 0.020 Btu/h ft F). Deter-mine a) la resistencia trmica de la
pared y b) el valor R delaislamiento en unidades
inglesas.Tablaroca7 in0.7 in 0.7 inAislamientode fibra de
vidrioFIGURA P3-29ICengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xxiii
25. xxivHERRAMIENTASTEMAS DEINTERSESPECIALLa mayor parte de los
captuloscontienen una seccin con una apli-cacin inspirada en el
mundo real,al final del captulo y de carcteropcional, llamada Tema
de intersespecial; en ella se discuten apli-caciones interesantes
de la trans-ferencia de calor, como la Como-didad trmica en el
captulo 1, Unbreve repaso de las ecuaciones di-ferenciales en el
captulo 2, Trans-ferencia de calor a travs de lasparedes y los
techos en el captulo3 y Transferencia de calor a travsde las
ventanas en el captulo 9.FACTORESDECONVERSINEn el interior de las
cu-biertas del texto, parafacilitar su consulta, seda una lista de
los fac-tores de conversin ylas constantes fsicas deuso
frecuente.Factores de conversinDIMENSIN MTRICA
MTRICA/INGLESAAceleracin 1 m/s2 100 cm/s21 m/s2 3.2808 ft/s21 ft/s2
0.3048* m/s2rea 1 m2 104cm2 106mm21 m2 1 550 in2 10.764 ft2 106km21
ft2 144 in2 0.09290304* m2Densidad 1 g/cm3 1 kg/L 1 000 kg/m31
g/cm3 62.428 lbm/ft3 0.036127 lbm/in31 lbm/in3 1 728 lbm/ft31 kg/m3
0.062428 lbm/ft3Energa, calor, 1 kJ 1 000 J 1 000 Nm 1 kPa m31 kJ
0.94782 Btutrabajo, energa 1 kJ/kg 1 000 m2/s21 Btu 1.055056
kJinterna, entalpa 1 kWh 3 600 kJ 5.40395 psia ft3 778.169 lbf ft1
cal 4.184 J 1 Btu/lbm 25 037 ft2/s2 2.326* kJ/kg1 IT cal 4.1868 J 1
kJ/kg 0.430 Btu/lbm1 Cal 4.1868 kJ 1 kWh 3 412.14 Btu1 therm 105Btu
1.055 105kJ(gas natural)2 5 2TEMA DE INTERS ESPECIAL*Transferencia
de calor a travs de ventanasLas ventanas son aberturas con vidrios
en las paredes exteriores de un edi-ficio que tpicamente constan de
un encristalado (vidrio o plstico) sencilloo mltiple, marcos y
persianas. En las paredes exteriores de un edificio lasventanas
ofrecen la menor resistencia al flujo del calor. En una casa
tpicacerca de un tercio de la prdida total de calor en invierno
ocurre a travs delas ventanas, Asimismo, la mayor parte de la
infiltracin de aire ocurre enlos bordes de ellas. La ganancia de
calor solar a travs de las ventanas es laresponsable de gran parte
de la carga de enfriamiento en el verano. El efec-to neto de una
ventana sobre el balance de calor de un edificio depende desus
caractersticas y orientacin as como de la radiacin solar y del
estadodel clima. La mano de obra es muy importante en la
construccin e instala-cin de las ventanas para proporcionar un
sellado eficaz alrededor de losbordes, permitiendo al mismo tiempo
que se cierren y abran con facilidad.A pesar de ser tan indeseables
desde un punto de vista de conservacin dela energa, las ventanas
son una parte esencial de cualesquiera paredes exte-riores de un
edificio, ya que mejoran la apariencia del mismo, permiten
queentren la luz del da y el calor solar y dan oportunidad a la
gente de ver y ob-servar el exterior sin salir de su hogar. Para
los edificios de poca altura, lasventanas tambin proporcionan zonas
de fcil salida durante las emergencias,como en el caso de incendio.
Consideraciones importantes en la seleccin delas ventanas son la
comodidad trmica y la conservacin de la energa. Unaventana debe
tener una buena transmisin de la luz proporcionando al mismotiempo
resistencia eficaz a la transferencia del calor. Se pueden
minimizar lasnecesidades de alumbrado de un edificio mejorando el
uso de la luz naturaldiurna. Se puede minimizar la prdida de calor
en el invierno a travs de lasventanas usando ventanas de hoja doble
o triple hermticas al aire, con pel-culas o recubrimientos
selectivos desde el punto de vista espectral y permi-tiendo la
entrada de tanta radiacin solar como sea posible. La ganancia
decalor y, por consiguiente, la carga de enfriamiento en el verano
se pueden mi-nimizar usando persianas internas o externas eficaces
sobre las ventanas.Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xxiv
26. INTRODUCCINY CONCEPTOS BSICOSLa termodinmica trata de la
cantidad de transferencia de calor a medidaque un sistema pasa por
un proceso de un estado de equilibrio a otro y nohace referencia a
cunto durar ese proceso. Pero en la ingeniera a me-nudo estamos
interesados en la rapidez o razn de esa transferencia, la
cualconstituye el tema de la ciencia de la transferencia de
calor.Se inicia este captulo con un repaso de los conceptos
fundamentales de latermodinmica, mismos que forman el armazn para
entender la transferenciade calor. En primer lugar, se presenta la
relacin entre el calor y otras formasde energa y se repasa el
balance de energa. A continuacin, se presentan lostres mecanismos
bsicos de la transferencia de calor: la conduccin, la con-veccin y
la radiacin, y se discute la conductividad trmica. La conduccines
la transferencia de energa de las partculas ms energticas de una
sustan-cia hacia las adyacentes, menos energticas, como resultado
de la interaccinentre ellas. La conveccin es el modo de
transferencia de calor entre una su-perficie slida y el lquido o
gas adyacentes que estn en movimiento, y com-prende los efectos
combinados de la conduccin y del movimiento del fluido.La radiacin
es la energa emitida por la materia en forma de ondas
electro-magnticas (o fotones), como resultado de los cambios en las
configuracioneselectrnicas de los tomos o molculas. Se cierra este
captulo con una dis-cusin acerca de la transferencia simultnea de
calor.1CAPTULO1CONTENIDO1-1 Termodinmica y transferenciade calor
21-2 Transferencia de calor en laingeniera 41-3 Calor y otras
formasde energa 61-4 Primera ley de latermodinmica 111-5 Mecanismos
de transferenciade calor 171-6 Conduccin 171-7 Conveccin 251-8
Radiacin 271-9 Mecanismos simultneos detransferencia de calor
301-10 Tcnica de resolucin deproblemas 35Tema de inters
especial:Comodidad trmica 40Resumen 46Bibliografa y
lecturassugeridas 47Problemas 47OBJETIVOSCuando el lector termine
de estudiar este captulo, debe ser capaz de: Entender cmo estn
relacionadas entre s la termodinmica y la transferencia de calor
Distinguir la energa trmica de las otras formas de energa, as como
la transferenciade calor de las otras formas de transferencia de
energa Realizar balances generales de energa y balances de energa
superficial Comprender los mecanismos bsicos de transferencia de
calor: la conduccin, la con-veccin y la radiacin, as como la ley de
Fourier de la transferencia de calor por con-duccin, la ley de
Newton del enfriamiento y la ley de Stefan-Boltzman de la radiacin
Identificar los mecanismos de transferencia de calor que en la
prctica ocurren demanera simultnea Darse cuenta del costo asociado
a las prdidas de calor, y Resolver diversos problemas de
transferencia de calor que se encuentran en la
prc-tica.Cengel_01.qxd 1/2/07 8:54 PM Page 1
27. 1-1 TERMODINMICA Y TRANSFERENCIADE CALORCon base en la
experiencia, se sabe que una bebida enlatada fra dejada en
unahabitacin se entibia y una bebida enlatada tibia que se deja en
un refrigeradorse enfra. Esto se lleva a cabo por la transferencia
de energa del medio calien-te hacia el fro. La transferencia de
energa siempre se produce del medio quetiene la temperatura ms
elevada hacia el de temperatura ms baja y esa trans-ferencia se
detiene cuando ambos alcanzan la misma temperatura.El lector
recordar, por lo que sabe de termodinmica, que la energa existeen
varias formas. En este texto se est interesado sobre todo en el
calor, quees la forma de la energa que se puede transferir de un
sistema a otro comoresultado de la diferencia en la temperatura. La
ciencia que trata de la deter-minacin de las razones de esa
transferencia es la transferencia de calor.El lector se puede
preguntar por qu necesitamos abordar un estudio detalla-do acerca
de la transferencia de calor. Despus de todo, se puede determinar
lacantidad de transferencia de calor para cualquier sistema que
pase por cual-quier proceso, con la sola aplicacin del anlisis
termodinmico. La razn esque la termodinmica se interesa en la
cantidad de transferencia de calor a me-dida que un sistema pasa
por un proceso, de un estado de equilibrio a otro, y noindica cunto
tiempo transcurrir. Un anlisis termodinmico sencillamentenos dice
cunto calor debe transferirse para que se realice un cambio de
estadoespecfico con el fin de satisfacer el principio de
conservacin de la energa.En la prctica tiene ms inters la razn de
la transferencia de calor (transfe-rencia de calor por unidad de
tiempo) que la cantidad de este ltimo. Por ejem-plo, es posible
determinar la cantidad de calor transferida de una jarra o
termoconforme el caf caliente que est en su interior se enfra de
90C hasta 80Ccon slo un anlisis termodinmico. Pero a un usuario
tpico o al diseador deuna de estas jarras le interesa
principalmente cunto tiempo pasar antes deque el caf caliente que
est en el interior se enfre hasta 80C, y un anlisistermodinmico no
puede responder esta pregunta. La determinacin de las ra-zones de
transferencia del calor hacia un sistema y desde ste y, por tanto,
lostiempos de enfriamiento o de calentamiento, as como de la
variacin de latemperatura, son el tema de la transferencia de calor
(figura 1-1).La termodinmica trata de los estados de equilibrio y
de los cambios desdeun estado de equilibrio hacia otro. Por otra
parte, la transferencia de calor seocupa de los sistemas en los que
falta el equilibrio trmico y, por tanto, existe unfenmeno de no
equilibrio. Por lo tanto, el estudio de la transferencia de calorno
puede basarse slo en los principios de la termodinmica. Sin
embargo, lasleyes de la termodinmica ponen la estructura para la
ciencia de la transferen-cia de calor. En la primera ley se
requiere que la razn de la transferenciade energa hacia un sistema
sea igual a la razn de incremento de la energa deese sistema. En la
segunda ley se requiere que el calor se transfiera en la di-reccin
de la temperatura decreciente (figura 1-2). Esto se asemeja a un
auto-mvil estacionado sobre un camino inclinado que debe moverse
hacia abajode la pendiente, en la direccin que decrezca la
elevacin, cuando se sueltensus frenos. Tambin es anlogo a la
corriente elctrica que fluye en la direc-cin de la menor tensin o
al fluido que se mueve en la direccin que dismi-nuye la presin
total.El requisito bsico para la transferencia de calor es la
presencia de una dife-rencia de temperatura. No puede haber
transferencia neta de calor entre dosmedios que estn a la misma
temperatura. La diferencia de temperatura es lafuerza impulsora
para la transferencia de calor, precisamente como la diferen-cia de
tensin es la fuerza impulsora para el flujo de corriente elctrica y
ladiferencia de presin es la fuerza impulsora para el flujo de
fluidos. La2TRANSFERENCIA DE CALOR Y
MASACafcalienteBotellatermoAislamientoFIGURA 1-1Normalmente estamos
interesados encunto tiempo tarda en enfriarse el cafcaliente que
est en un termo hasta ciertatemperatura, lo cual no se
puededeterminar slo a partir de un
anlisistermodinmico.CalorMedioambiente froa 20CCafcaliente
a70CFIGURA 1-2El calor fluye en la direccin de latemperatura
decreciente.Cengel_01.qxd 1/2/07 8:54 PM Page 2
28. velocidad de la transferencia de calor en cierta direccin
depende de la mag-nitud del gradiente de temperatura (la diferencia
de temperatura por unidadde longitud o la razn de cambio de la
temperatura en esa direccin). A mayorgradiente de temperatura,
mayor es la razn de la transferencia de calor.reas de aplicacin de
la transferencia de calorEs comn encontrar la transferencia de
calor en los sistemas de ingeniera yotros aspectos de la vida y no
es necesario ir muy lejos para ver algunas de susreas de aplicacin.
De hecho, no es necesario ir a alguna parte. El cuerpo hu-mano est
emitiendo calor en forma constante hacia sus alrededores y la
co-modidad humana est ntimamente ligada con la razn de este rechazo
decalor. Tratamos de controlar esta razn de transferencia de calor
al ajustarnuestra ropa a las condiciones ambientales.Muchos
aparatos domsticos comunes estn diseados, en su conjunto o enparte,
mediante la aplicacin de los principios de la transferencia de
calor. Al-gunos ejemplos caen en el dominio de las aplicaciones
elctricas o del uso delgas: el sistema de calefaccin y
acondicionamiento de aire, el refrigerador ycongelador, el
calentador de agua, la plancha e, incluso, la computadora, laTV y
el reproductor de DVD. Por supuesto, los hogares eficientes
respecto aluso de la energa se disean de manera que puedan
minimizar la prdida decalor, en invierno, y la ganancia de calor,
en verano. La transferencia de calordesempea un papel importante en
el diseo de muchos otros aparatos, comolos radiadores de los
automviles, los colectores solares, diversos compo-nentes de las
plantas generadoras de energa elctrica e, incluso, la nave
espa-cial (figura 1-3). El espesor ptimo del aislamiento de las
paredes y techos delas casas, de los tubos de agua caliente o de
vapor de agua o de los calenta-dores de agua se determina, una vez
ms, a partir de un anlisis de la transfe-rencia de calor que
considere los aspectos econmicos.Fundamentos histricosEl calor
siempre se ha percibido como algo que produce una sensacin de
ti-bieza y se podra pensar que su naturaleza es una de las primeras
cosas com-CAPTULO 13FIGURA 13Algunas reas de aplicacin de la
transferencia de calor.A/C unit, fridge, radiator: The McGraw-Hill
Companies, Inc./Jill Braaten, photographer; Plane: Vol.
14/PhotoDisc; Humans: Vol. 121/PhotoDisc; Power plant: Corbis
Royalty FreeEl cuerpo humano Sistemas de acondicionamiento del aire
AvionesRadiadores de automviles Planta generadora de energa
elctrica Sistemas de refrigeracinCengel_01.qxd 1/2/07 8:54 PM Page
3
29. prendidas por la humanidad. Pero fue hacia mediados del
siglo XIX cuando tu-vimos una verdadera comprensin fsica de la
naturaleza del calor, gracias aldesarrollo en esa poca de la teora
cintica, en la cual se considera a las mo-lculas como bolas
diminutas que estn en movimiento y que, por tanto, po-seen energa
cintica. El calor entonces se define como la energa asociadacon el
movimiento aleatorio de los tomos y molculas. Aun cuando en el
si-glo XVIII y a principios del XIX se sugiri que el calor es la
manifestacin delmovimiento en el nivel molecular (llamada la fuerza
viva), la visin prevale-ciente en ese sentido hasta mediados del
siglo XIX se basaba en la teora delcalrico propuesta por el qumico
francs Antoine Lavoisier (1743-1794), en1789. La teora del calrico
afirma que el calor es una sustancia semejante aun fluido, llamada
calrico, que no tiene masa, es incoloro, inodoro e inspi-do y se
puede verter de un cuerpo a otro (figura 1-4). Cuando se
agregabacalrico a un cuerpo, su temperatura aumentaba, y cuando se
quitaba, la tem-peratura de ese cuerpo disminua. Cuando un cuerpo
no poda contener mscalrico, de manera muy semejante a cuando en un
vaso de agua no se puededisolver ms sal o azcar, se deca que el
cuerpo estaba saturado con calrico.Esta interpretacin dio lugar a
los trminos lquido saturado o vapor satura-do que todava se usan en
la actualidad.La teora del calrico fue atacada pronto despus de su
introduccin. Ellasostena que el calor es una sustancia que no se
poda crear ni destruir. Sin em-bargo, se saba que se puede generar
calor de manera indefinida frotndose lasmanos o frotando entre s
dos trozos de madera. En 1798 el estadounidenseBenjamin Thompson
(Conde de Rumford) (1753-1814) demostr en sus estu-dios que el
calor se puede generar en forma continua a travs de la friccin.
Lavalidez de la teora del calrico tambin fue desafiada por otros
cientficos.Pero fueron los cuidadosos experimentos del ingls James
P. Joule (1818-1889), publicados en 1843, los que finalmente
convencieron a los escpticosde que, despus de todo, el calor no era
una sustancia y, por consiguiente, pu-sieron a descansar a la teora
del calrico. Aunque esta teora fue totalmenteabandonada a mediados
del siglo XIX, contribuy en gran parte al desarrollode la
termodinmica y de la transferencia de calor.1-2 TRANSFERENCIA DE
CALOREN LA INGENIERAEl equipo de transferencia de calor como los
intercambiadores de calor, lascalderas, los condensadores, los
radiadores, los calentadores, los hornos, losrefrigeradores y los
colectores solares est diseado tomando en cuenta elanlisis de la
transferencia de calor. Los problemas de esta ciencia que se
en-cuentran en la prctica se pueden considerar en dos grupos: 1) de
capacidadnominal y 2) de dimensionamiento. Los problemas de
capacidad nominal tra-tan de la determinacin de la razn de la
transferencia de calor para un siste-ma existente a una diferencia
especfica de temperatura. Los problemas dedimensionamiento tratan
con la determinacin del tamao de un sistema conel fin de transferir
calor a una razn determinada para una diferencia especfi-ca de
temperatura.Un aparato o proceso de ingeniera puede estudiarse en
forma experimental(realizacin de pruebas y toma de mediciones) o en
forma analtica (medianteel anlisis o la elaboracin de clculos). El
procedimiento experimental tienela ventaja de que se trabaja con el
sistema fsico real, y la cantidad deseada sedetermina por medicin,
dentro de los lmites del error experimental. Sin em-bargo, este
procedimiento es caro, tardado y, con frecuencia, imprctico.Adems,
el sistema que se est analizando puede incluso no existir. Por
ejem-plo, por lo regular, los sistemas completos de calefaccin y de
plomera de un4TRANSFERENCIA DE CALOR Y
MASACuerpocalienteCuerpofroSuperficiede contactoCalricoFIGURA 1-4A
principios del siglo XIX se conceba elcalor como un fluido
invisible llamadocalrico que flua de los cuerpos mscalientes hacia
los ms fros.Cengel_01.qxd 1/2/07 8:54 PM Page 4
30. edificio deben dimensionarse a partir de las
especificaciones dadas antes deque el edificio se construya en
realidad. El procedimiento analtico (que in-cluye el procedimiento
numrico) tiene la ventaja de que es rpido y barato,pero los
resultados obtenidos estn sujetos a la exactitud de las
suposiciones,de las aproximaciones y de las idealizaciones
establecidas en el anlisis. Enlos estudios de ingeniera, es
frecuente que se logre un buen trmino medio alreducir los posibles
diseos a unos cuantos, por medio del anlisis, y verifi-cando despus
en forma experimental los hallazgos.Elaboracin de modelosen la
transferencia de calorLas descripciones de la mayor parte de los
problemas cientficos comprendenecuaciones que relacionan entre s
los cambios de algunas variables clave.Comnmente, entre menor es el
incremento elegido en las variables cambiantes,ms general y exacta
es la descripcin. En el caso lmite de cambios infinitesi-males o
diferenciales en las variables, se obtienen ecuaciones
diferenciales queproporcionan formulaciones matemticas precisas
para los principios y las leyesfsicos, representando las razones de
cambio como derivadas. Por lo tanto, seusan las ecuaciones
diferenciales para investigar una amplia variedad de proble-mas en
las ciencias y la ingeniera (figura 1-5). Sin embargo, muchos
problemasque se encuentran en la prctica se pueden resolver sin
recurrir a las ecuacionesdiferenciales y a las complicaciones
asociadas con ellas.El estudio de los fenmenos fsicos comprende dos
pasos importantes. En elprimero se identifican todas las variables
que afectan los fenmenos, se hacensuposiciones y aproximaciones
razonables y se estudia la interdependencia dedichas variables. Se
invocan las leyes y principios fsicos pertinentes y el pro-blema se
formula en forma matemtica. La propia ecuacin es muy ilustrati-va,
ya que muestra el grado de dependencia de algunas variables con
respectoa las otras y la importancia relativa de diversos trminos.
En el segundo pasoel problema se resuelve usando un procedimiento
apropiado y se interpretanlos resultados.De hecho, muchos procesos
que parecen ocurrir de manera aleatoria y sinorden son gobernados
por algunas leyes fsicas visibles o no tan visibles. Seadviertan o
no, las leyes estn all, rigiendo de manera coherente y predeciblelo
que parecen ser sucesos ordinarios. La mayor parte de tales leyes
estn biendefinidas y son bien comprendidas por los cientficos. Esto
hace posible pre-decir el curso de un suceso antes de que ocurra en
realidad, o bien, estudiarmatemticamente diversos aspectos de un
suceso sin ejecutar experimentoscaros y tardados. Aqu es donde se
encuentra el poder del anlisis. Se puedenobtener resultados muy
exactos para problemas prcticos con ms o menospoco esfuerzo,
utilizando un modelo matemtico adecuado y realista. La pre-paracin
de los modelos de ese tipo requiere un conocimiento adecuado de
losfenmenos naturales que intervienen y de las leyes pertinentes,
as como de unjuicio slido. Es obvio que un modelo no realista
llevar a resultados inexac-tos y, por tanto, inaceptables.Un
analista que trabaje en un problema de ingeniera con frecuencia se
en-cuentra en la disyuntiva de elegir entre un modelo muy exacto,
pero comple-jo, y uno sencillo, pero no tan exacto. La seleccin
correcta depende de lasituacin que se enfrente. La seleccin
correcta suele ser el modelo ms sen-cillo que da lugar a resultados
adecuados. Por ejemplo, el proceso de hornearpapas o de asar un
trozo redondo de carne de res en un horno se puede estu-diar
analticamente de una manera sencilla al considerar la papa o el
asado co-mo una esfera slida que tenga las propiedades del agua
(figura 1-6). Elmodelo es bastante sencillo, pero los resultados
obtenidos son suficientemen-te exactos para la mayor parte de los
fines prcticos. En otro ejemplo sencillo,CAPTULO
15HornoIdeal175CAguaPapa RealFIGURA 1-6La elaboracin de modelos es
unaherramienta poderosa en la ingenieraque proporciona gran visin y
sencilleza costa de algo de exactitud.Identifquenselas
variablesimportantes Establzcansehiptesisy
hganseaproximacionesrazonablesAplquenselas leyes
fsicaspertinentesProblema fsicoUna ecuacin diferencialAplquesela
tcnicade resolucinapropiadaAplquenselas condicionesde fronterae
inicialSolucin del problemaFIGURA 15Modelado matemtico de los
problemasfsicos.Cengel_01.qxd 1/2/07 8:54 PM Page 5
31. cuando analizamos las prdidas de calor de un edificio, con
el fin de seleccio-nar el tamao correcto de un calentador, se
determinan las prdidas de caloren las peores condiciones que se
puedan esperar y se selecciona un horno quesuministrar calor
suficiente para compensar tales prdidas. A menudo se tien-de a
elegir un horno ms grande como previsin a alguna futura ampliacin
oslo para suministrar un factor de seguridad. Un anlisis muy
sencillo resulta-r adecuado en este caso.Al seleccionar el equipo
de transferencia de calor es importante considerar lascondiciones
reales de operacin. Por ejemplo, al comprar un intercambiador
decalor que manejar agua dura, se debe considerar que, con el paso
del tiempo, seformarn algunos depsitos de calcio sobre las
superficies de transferencia, cau-sando incrustacin y, por
consiguiente, una declinacin gradual en el rendimien-to. Se debe
seleccionar el intercambiador de calor tomando en cuenta laoperacin
en esta situacin adversa, en lugar de en las condiciones
iniciales.La preparacin de modelos muy exactos, pero complejos, no
suele ser tandifcil. Pero no sirven de mucho a un analista si son
muy difciles y requierende mucho tiempo para resolverse. En lo
mnimo, el modelo debe reflejar lascaractersticas esenciales del
problema fsico que representa. Existen muchosproblemas
significativos del mundo real que se pueden analizar con un mode-lo
sencillo. Pero siempre se debe tener presente que los resultados
obtenidos apartir de un anlisis son tan exactos como las
suposiciones establecidas en lasimplificacin del problema. Por lo
tanto, la solucin no debe aplicarse a si-tuaciones para las que no
se cumplen las suposiciones originales.Una solucin que no es
bastante coherente con la naturaleza observada delproblema indica
que el modelo matemtico que se ha usado es demasiado bur-do. En ese
caso, hay que preparar un modelo ms realista mediante la
elimi-nacin de una o ms de las suposiciones cuestionables. Esto dar
por resultadoun problema ms complejo que, por supuesto, es ms
difcil de resolver. Portanto, cualquier solucin para un problema
debe interpretarse dentro del con-texto de su formulacin.1-3 CALOR
Y OTRAS FORMAS DE ENERGALa energa puede existir en numerosas
formas, como trmica, mecnica, cin-tica, potencial, elctrica,
magntica, qumica y nuclear, y su suma constituyela energa total E
(o e en trminos de unidad de masa) de un sistema. Las for-mas de
energa relacionadas con la estructura molecular de un sistema y
conel grado de la actividad molecular se conocen como energa
microscpica. Lasuma de todas las formas microscpicas de energa se
llama energa internade un sistema y se denota por U (o u en trminos
de unidad de masa).La unidad internacional de energa es el joule
(J) o el kilojoule (kJ 1 000 J).En el sistema ingls, la unidad de
energa es la unidad trmica britnica (Btu,British thermal unit), que
se define como la energa necesaria para elevar en1F la temperatura
de 1 lbm de agua a 60F. Las magnitudes del kJ y de la Btuson casi
idnticas (1 Btu 1.055056 kJ). Otra unidad bien conocida de ener-ga
es la calora (1 cal 4.1868 J), la cual se define como la energa
necesa-ria para elevar en 1C la temperatura de 1 gramo de agua a
14.5C.Se puede considerar la energa interna como la suma de las
energas cinticay potencial de las molculas. La parte de la energa
interna de un sistema queest asociada con la energa cintica de las
molculas se conoce como energasensible o calor sensible. La
velocidad promedio y el grado de actividad delas molculas son
proporcionales a la temperatura. Por consiguiente, en tem-peraturas
ms elevadas, las molculas poseen una energa cintica ms alta y,como
resultado, el sistema tiene una energa interna tambin ms alta.La
energa interna tambin se asocia con las fuerzas que ejercen entre s
lasmolculas de un sistema. Estas fuerzas ligan a las molculas
mutuamente y,6TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASACengel_01.qxd 1/2/07
8:54 PM Page 6
32. como sera de esperar, son ms fuertes en los slidos y ms
dbiles en los ga-ses. Si se agrega energa suficiente a las molculas
de un slido o de un lqui-do, vencern estas fuerzas moleculares y,
simplemente, se separarn pasandoel sistema a ser gas. ste es un
proceso de cambio de fase y, debido a estaenerga agregada, un
sistema en fase gaseosa se encuentra en un nivel ms al-to de energa
interna que si estuviera en fase slida o lquida. La energa inter-na
asociada con la fase de un sistema se llama energa latente o calor
latente.Los cambios mencionados en el prrafo anterior pueden
ocurrir sin un cam-bio en la composicin qumica de un sistema. La
mayor parte de los proble-mas de transferencia de calor caen en
esta categora y no es necesario poneratencin en las fuerzas que
ligan los tomos para reunirlos en una molcula.La energa interna
asociada con los enlaces atmicos en una molcula se lla-ma energa
qumica (o de enlace), en tanto que la energa interna asociadacon
los enlaces en el interior del ncleo del propio tomo se llama
energanuclear. Las energas qumica o nuclear se absorben o liberan
durante lasreacciones qumicas o nucleares, respectivamente.En el
anlisis de los sistemas que comprenden el flujo de fluidos,
confrecuencia se encuentra la combinacin de las propiedades u y Pv.
En bene-ficio de la sencillez y por conveniencia, a esta combinacin
se le define comoentalpa h. Es decir, h u Pv, en donde el trmino Pv
representa la ener-ga de flujo del fluido (tambin llamada trabajo
de flujo), que es la energanecesaria para empujar un fluido y
mantener el flujo. En el anlisis de la ener-ga de los fluidos que
fluyen, es conveniente tratar la energa de flujo comoparte de la
energa del fluido y representar la energa microscpica de
unacorriente de un fluido por la entalpa h (figura 1-7).Calores
especficos de gases,lquidos y slidosEs posible que el lector
recuerde que un gas ideal se define como un gas queobedece la
relacinPv RT o bien, P rRT (1-1)en donde P es la presin absoluta, v
es el volumen especfico, T es la tempera-tura termodinmica (o
absoluta), r es la densidad y R es la constante de gas. Enforma
experimental, se ha observado que la relacin antes dada del gas
idealproporciona una aproximacin muy cercana al comportamiento
P-v-T de losgases reales, a bajas densidades. A presiones bajas y
temperaturas elevadas, ladensidad de un gas disminuye y ste se
comporta como un gas ideal. En elrango de inters prctico, muchos
gases comunes, como el aire, el nitrgeno,el oxgeno, el helio, el
argn, el nen y el criptn, e incluso gases ms pesa-dos, como el
bixido de carbono, pueden tratarse como gases ideales, con
errordespreciable (con frecuencia, menor de 1%). No obstante, los
gases densos,como el vapor de agua en las plantas termoelctricas y
el vapor del refrige-rante en los refrigeradores, no siempre deben
tratarse como gases ideales, yaque suelen existir en un estado
cercano a la saturacin.Puede ser que el lector tambin recuerde que
el calor especfico se definecomo la energa requerida para elevar en
un grado la temperatura de unaunidad de masa de una sustancia
(figura 1-8). En general, esta energa de-pende de la manera en que
se ejecuta el proceso. Suele tenerse inters en dostipos de calores
especficos: el calor especfico a volumen constante, cv, y elcalor
especfico a presin constante, cp. El calor especfico a volumen
cons-tante, cv, se puede concebir como la energa requerida para
elevar en un gradola temperatura de una unidad de masa de una
sustancia mientras el volumen seCAPTULO 17FluidoestacionarioEnerga
= hEnerga = uFluido quefluyeFIGURA 1-7La energa interna u
representa laenerga microscpica de un fluido queno est fluyendo, en
tanto que laentalpa h representa la energa mi-croscpica de un
fluido que fluye.5 kJm = 1 kgT = 1CCalor especfico = 5 kJ/kg
CFIGURA 1-8El calor especfico es la energa re-querida para elevar
la temperatura deuna unidad de masa de una sustanciaen un grado, de
una maneraespecfica.Cengel_01.qxd 1/2/07 8:54 PM Page 7
33. 8TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASAmantiene constante. La energa
requerida para hacer lo mismo cuando la pre-sin se mantiene
constante es el calor especfico a presin constante, cp. Elcalor
especfico a presin constante, cp, es mayor que cv porque, en esta
condi-cin, se permite que el sistema se expanda y porque la energa
para este tra-bajo de expansin tambin debe suministrarse al
sistema. Para los gasesideales, estos calores especficos estn
relacionados entre s por cp cv R.Una unidad comn para los calores
especficos es el kJ/kg C o kJ/kg K.Advierta que estas dos unidades
son idnticas, ya que T(C) T(K), y uncambio de 1C en la temperatura
es equivalente a un cambio de 1 K. Asimis-mo,1 kJ/kg C 1 J/g C 1
kJ/kg K 1 J/g KEn general, los calores especficos de una sustancia
dependen de dos pro-piedades independientes, como la temperatura y
la presin. Sin embargo, pa-ra un gas ideal slo dependen de la
temperatura (figura 1-9). A bajas pre-siones todos los gases reales
se aproximan al comportamiento del gas ideal y,por lo tanto, sus
calores especficos slo dependen de la temperatura.Los cambios
diferenciales en la energa interna u y la entalpa h de un gasideal
se pueden expresar en trminos de los calores especficos comodu cv
dT y dh cp dT (1-2)Los cambios finitos en la energa interna y la
entalpa de un gas ideal duranteun proceso se pueden expresar
aproximadamente usando valores de los calo-res especficos a la
temperatura promedio, comou cv, prom T y h cp, prom T (J/g) (1-3)o
bien,U mcv, prom T y H mcp, prom T (J) (1-4)en donde m es la masa
del sistema.Una sustancia cuyo volumen especfico (o densidad
especfica) no cambiacon la temperatura o la presin se conoce como
sustancia incompresible. Losvolmenes especficos de los slidos y los
lquidos permanecen constantes du-rante un proceso y, por tanto, se
pueden aproximar como sustancias incompre-sibles sin mucho
sacrificio en la exactitud.Los calores especficos a volumen
constante y a presin constante son idn-ticos para las sustancias
incompresibles (figura 1-10). Por lo tanto, para los s-lidos y los
lquidos, se pueden quitar los subndices en cv y cp y estos
doscalores especficos se pueden representar por un solo smbolo, c.
Es decir, cp cv c. Tambin se pudo deducir este resultado a partir
de las definicionesfsicas de calores especficos a volumen constante
y a presin constante. En elapndice se dan los calores especficos de
varios gases, lquidos y slidos co-munes.Los calores especficos de
las sustancias incompresibles slo dependen dela temperatura. Por lo
tanto, el cambio en la energa interna de slidos y lqui-dos se puede
expresar comoU mcpromT (J) (1-5)0.718 kJ 0.855 kJAirem = 1 kg300
301 KAirem = 1 kg1 000 1 001 KFIGURA 1-9El calor especfico de una
sustanciacambia con la temperatura.HIERRO25C= cv= cp= 0.45 kJ/kg
KcFIGURA 1-10Los valores de cv y cp de las sustanciasincompresibles
son idnticos y sedenotan por c.Cengel_01.qxd 1/2/07 8:54 PM Page
8
34. CAPTULO 19en donde Cprom es el calor especfico promedio
evaluado a la temperatura pro-medio. Note que el cambio en la
energa interna de los sistemas que permane-cen en una sola fase
(lquido, slido o gas) durante el proceso se puededeterminar con
mucha facilidad usando los calores especficos
promedio.Transferencia de la energaLa energa se puede transferir
hacia una masa dada, o desde sta, por dos me-canismos: calor Q y
trabajo W. Una interaccin energtica es transferencia decalor si su
fuerza impulsora es una diferencia de temperatura. De lo
contrario,es trabajo. Tanto un pistn que sube, como una flecha
rotatoria y un alambreelctrico que crucen las fronteras del
sistema, estn asociados con interaccio-nes de trabajo. El trabajo
realizado por unidad de tiempo se llama potencia yse denota por W.
La unidad de potencia es el W o el hp (1 hp 746 W). Losmotores de
automviles y las turbinas hidrulicas, de vapor y de gas
producentrabajo; las compresoras, bombas y mezcladoras consumen
trabajo. Adviertaque la energa de un sistema disminuye conforme
realiza trabajo y aumenta sise realiza trabajo sobre l.En la vida
diaria con frecuencia se hace referencia a las formas latente
ysensible de la energa interna como calor y se habla del contenido
de calor delos cuerpos (figura 1-11). Sin embargo, en la
termodinmica a esas formasde energa se les suele mencionar como
energa trmica, con el fin de impe-dir que se tenga una confusin con
la transferencia de calor.El trmino calor y las frases asociadas,
como flujo de calor, adicin de ca-lor, rechazo de calor, absorcin
de calor, ganancia de calor, prdida de calor,almacenamiento de
calor, generacin de calor, calentamiento elctrico, calorlatente,
calor del