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1. DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS Aceleracin 1 m/s2 100 cm/s2 1
m/s2 3.2808 ft/s2 1 ft/s2 0.3048* m/s2 rea 1 m2 104 cm2 106 mm2 106
km2 1 m2 1550 in2 10.764 ft2 1 ft2 144 in2 0.09290304* m2 Densidad
1 g/cm3 1 kg/L 1000 kg/m3 1 g/cm3 62.428 lbm/ft3 0.036127 lbm/in3 1
lbm/in3 1728 lbm/ft3 1 kg/m3 0.062428 lbm/ft3 Energa, calor,
trabajo, 1 kJ 1000 J 1000 N m 1 kPa m3 1 kJ 0.94782 Btu energa
interna, 1 kJ/kg 1000 m2/s2 1 Btu 1.055056 kJ entalpa 1 kWh 3600 kJ
5.40395 psia ft3 778.169 lbf ft 1 cal 4.184 J 1 Btu/lbm 25,037
ft2/s2 2.326* kJ/kg 1 IT cal 4.1868 J 1 kJ/kg 0.430 Btu/lbm 1 Cal
4.1868 kJ 1 kWh 3412.14 Btu 1 termia 105 Btu 1.055 105 kJ (gas
natural) Fuerza 1 N 1 kg m/s2 105 dina 1 N 0.22481 lbf 1 kgf
9.80665 N 1 lbf 32.174 lbm ft/s2 4.44822 N Flujo de calor 1 W/cm2
104 W/m2 1 W/m2 0.3171 Btu/h ft2 Coeficiente de trans- 1 W/m2 C 1
W/m2 K 1 W/m2 C 0.17612 Btu/h ft2 F ferencia de calor Longitud 1 m
100 cm 1000 mm 106 mm 1 m 39.370 in 3.2808 ft 1.0926 yd 1 km 1000 m
1 ft 12 in 0.3048* m 1 milla 5280 ft 1.6093 km 1 in 2.54* cm Masa 1
kg 1000 g 1 kg 2.2046226 lbm 1 tonelada mtrica 1000 kg 1 lbm
0.45359237* kg 1 onza 28.3495 g 1 slug 32.174 lbm 14.5939 kg 1 ton
corta 2000 lbm 907.1847 kg Potencia, velocidad 1 W 1 J/s 1 kW
3412.14 Btu/h de transferencia 1 kW 1000 W 1.341 hp 737.56 lbf ft/s
de calor 1 hp 745.7 W 1 hp 550 lbf ft/s 0.7068 Btu/s 42.41 Btu/min
2544.5 Btu/h 0.74570 kW 1 hp de caldera 33,475 Btu/h 1 Btu/h
1.055056 kJ/h 1 ton de refrigeracin 200 Btu/min Presin 1 Pa 1 N/m2
1 Pa 1.4504 104 psia 1 kPa 103 Pa 103 MPa 0.020886 lbf/ft2 1 atm
101.325 kPa 1.01325 bars 1 psi 144 lbf/ft2 6.894757 kPa 760 mm Hg a
0C 1 atm 14.696 psia 29.92 in Hg a 30F 1.03323 kgf/cm2 1 in Hg
3.387 kPa 1 mm Hg 0.1333 kPa Calor especfico 1 kJ/kg C 1 kJ/kg K 1
J/g C 1 Btu/lbm F 4.1868 kJ/kg C 1 Btu/lbmol R 4.1868 kJ/kmol K 1
kJ/kg C 0.23885 Btu/lbm F 0.23885 Btu/lbm R * Factores de conversin
exactos entre las unidades mtricas e inglesas. La calora se define
originalmente como la cantidad de calor requerida para aumentar 1C
la temperatura de 1 g de agua, pero sta vara con la temperatura. La
calora de la tabla de vapor internacional (IT), generalmente
preferida por los ingenieros, es exactamente 4.1868 J por definicin
y corresponde al calor especfico del agua a 15C. La calora
termoqumica, por lo general preferida por los fsicos, es
exactamente 4.184 J por definicin y corresponde al calor especfico
del agua a temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es
aproximadamente 0.06 por ciento, lo cual es despreciable. La Calora
con inicial mayscula utilizada por los nutrilogos en realidad es
una kilocalora (1000 caloras IT). Factores de conversin
2. DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS Volumen especfico 1 m3/kg 1000
L/kg 1000 cm3/g 1 m3/kg 16.02 ft3/lbm 1 ft3/lbm 0.062428 m3/kg
Temperatura T(K) T(C) 273.15 T(R) T(F) 459.67 1.8T(K) T(K) T(C)
T(F) 1.8 T(C) 32 T(F) T(R) 1.8 T(K) Conductividad 1 W/m C 1 W/m K 1
W/m C 0.57782 Btu/h ft F trmica Velocidad 1 m/s 3.60 km/h 1 m/s
3.2808 ft/s 2.237 mi/h 1 mi/h 1.46667 ft/s 1 mi/h 1.6093 km/h
Volumen 1 m3 1000 L 106 cm3 (cc) 1 m3 6.1024 104 in3 35.315 ft3
264.17 gal (U.S.) 1 U.S. galn 231 in3 3.7854 L 1 fl onza 29.5735
cm3 0.0295735 L 1 U.S. galn 128 fl onzas 1 m3/s 60,000 L/min 106
cm3/s 1 m3/s 15,850 gal/min (gpm) 35.315 ft3/s 2118.9 ft3/min (cfm)
Caballo de fuerza mecnico. El caballo de vapor elctrico se toma
para que sea exactamente igual a 746 W. Algunas constantes fsicas
Constante universal de los gases Ru 8.31447 kJ/kmol K 8.31447 kPa
m3/kmol K 0.0831447 bar m3/kmol K 82.05 L atm/kmol K 1.9858
Btu/lbmol R 1545.37 ft lbf/lbmol R 10.73 psia ft3/lbmol R
Aceleracin de la gravedad estndar g 9.80665 m/s2 32.174 ft/s2
Presin atmosfrica estndar 1 atm 101.325 kPa 1.01325 bar 14.696 psia
760 mm Hg (0C) 29.9213 in Hg (32F) 10.3323 m H2O (4C) Constante de
Stefan-Boltzmann 5.6704 108 W/m2 K4 0.1714 108 Btu/h ft2 R4
Constante de Boltzmann k 1.380650 1023 J/K Velocidad de la luz en
el vaco co 2.9979 108 m/s 9.836 108 ft/s Velocidad del sonido en
aire seco a 0C y 1 atm c 331.36 m/s 1089 ft/s Calor de fusin del
agua a 1 atm hif 333.7 kJ/kg 143.5 Btu/lbm Entalpa de vaporizacin
del agua a 1 atm hfg 2256.5 kJ/kg 970.12 Btu/lbm Tasa de flujo
volumtrico
3. TERMODINMICA
4. TERMODINMICA SEXTA EDICIN YUNUS A. ENGEL University of
Nevada, Reno MICHAEL A. BOLES North Carolina State University
Revisin tcnica Sofa Faddeeva Sknarina Instituto Tecnolgico y de
Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de Mxico MXICO
BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK SAN
JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN
FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO
5. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos
Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayn Coordinadora
editorial: Marcela I. Rocha Martnez Editor sponsor: Pablo E. Roig
Vzquez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodrguez Supervisor de
produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Virgilio Gonzlez y Pozo
/ Sergio M. Sarmiento TERMODINMICA Sexta edicin Prohibida la
reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin
la autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2009
respecto a la sexta edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA
EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies,
Inc. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia
Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.F.
Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana,
Reg. Nm. 736 ISBN 978-970-10-7286-8 (ISBN 970-10-5611-6 edicin
anterior) Traducido de la sexta edicin de: Thermodynamics. An
Engineering Approach. Copyright 1989, 1994, 1998, 2002, 2006, and
2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN
978-0-07-352921-9 1234567890 08765432109 Impreso en Mxico Printed
in Mexico
6. No hay nada ms horroroso que la ignorancia en accin. Goethe
La sociedad que desprecia la excelencia de la plomera por ser una
actividad humilde y tolera la falsedad de la filosofa porque es una
actividad excelsa, no poseer una buena plomera ni una buena
filosofa. Ni sus tuberas ni sus teoras conservarn el agua. John
Gardner La integridad sin conocimiento es dbil e intil, mientras
que el conocimiento sin integridad es peligroso y horrible. Samuel
Jackson La preocupacin por el hombre y su destino siempre debe ser
el inters primordial de todo esfuerzo tcnico. Nunca olvides esto
entre tus diagramas y ecuaciones. Albert Einstein La semejanza
mutua es origen de la contradiccin; la congruencia es la base de la
solidaridad; la pequeez de carcter es la fuente de la arrogancia;
la debilidad es la fuente del orgullo; la impotencia es el origen
de la oposicin, y la curiosidad es el maestro del conocimiento.
Said Nursi Todo el arte de la enseanza est despertando la
curiosidad natural de las mentes jvenes. Anatole France Un gran
maestro es aquel cuyo espritu entra en las almas de sus alumnos.
John Milton Nadie lo sabr, excepto t. Sin embargo, debes vivir
contigo mismo y siempre es mejor vivir con alguien que respetes, ya
que el respeto engendra confianza. Jerome Weidman Un hbito es como
un cable, tejemos un hilo de l todos los das y al final no podemos
romperlo. Horace Mann El genio es el uno por ciento inspiracin y
noventa y nueve por ciento transpiracin. Thomas A. Edison Aquel que
deja de ser mejor, deja de ser bueno. Oliver Cromwell Cuando llamas
misteriosa a una cosa significa que no la has comprendido. Lord
Kelvin
7. ACERCA DE LOS AUTORES x | Yunus A. engel es Profesor Emrito
de Ingeniera Mecnica en Univer- sity of Nevada, Reno. Obtuvo su
licenciatura en ingeniera mecnica en Istan- bul Technical
University, y su maestra y doctorado en ingeniera mecnica en la
North Carolina State University. Sus reas de investigacin son
energas renovables, desalacin, anlisis de exerga y energa y
conservacin. Fue director del Industrial Assessment Center de
University of Nevada, de 1996 a 2000. Ha presidido grupos de
estudiantes de ingeniera en numerosas instala- ciones
manufactureras del norte de Nevada y de California, donde hizo
evalu- aciones industriales, y prepar informes de conservacin de
energa, minimizacin de desperdicios y aumento de produccin para
esas empresas. El doctor engel es coautor de Mecnica de fluidos y
de Transferencia de calor y masa, ambos publicados por McGraw-Hill.
Algunos de sus textos han sido traducidos al chino, japons,
coreano, espaol, portugus, turco, italiano y griego. engel recibi
varios y notables premios a la enseanza, as como el pre- mio al
Autor Distinguido que de ASEE Meriam/Wiley, en 1992, y de nuevo en
2000, por su autora de excelencia. Es un ingeniero profesional
registrado en el estado de Nevada y es miembro de American Society
of Mechanical Engineers (ASME), y de American Society for
Engineering Education (ASEE). Michael A. Boles es Profesor Asociado
de Ingeniera Mecnica y Aero- espacial en North Carolina State
University, donde obtuvo su doctorado en ingeniera mecnica, y fue
nombrado Profesor Distinguido por los alumnos. El doctor Boles ha
recibido numerosos premios y nombramientos por su excelencia como
profesor de ingeniera. Recibi el Premio Ralph R. Teetor de
Educacin, de la SAE, y dos veces fue electo para la Academia de
Profe- sores Distinguidos de North Carolina State University. La
seccin estudiantil ASME de esa universidad lo ha reconocido en
forma consistente como Profe- sor Notable del Ao, y como el miembro
docente con mayor impacto en los alumnos de ingeniera mecnica. Se
especializa en transferencia de calor, e intervino en la solucin
analtica y numrica de cambio de fase y secado de medios porosos. Es
miembro de la American Society for Engineering Education (ASEE) y
Sigma Xi. El Dr. Boles recibi el Premio al Autor Distinguido de
ASEE Meriam/Wiley, en 1992, por sus excelentes autoras.
8. CONTENIDO BREVE | xi Captulo 11 CICLOS DE REFRIGERACIN | 617
Captulo 12 RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS | 663 Captulo 13
MEZCLAS DE GASES | 695 Captulo 14 MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y
ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 731 Captulo 15 REACCIONES QUMICAS | 767
Captulo 16 EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 811 Captulo 17 FLUJO
COMPRESIBLE | 843 Apndice 1 TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y
DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 903 Apndice 2 TABLAS DE PROPIEDADES,
FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) | 953 Captulo 1 INTRODUCCIN
Y CONCEPTOS BSICOS | 1 Captulo 2 ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y
ANLISIS GENERAL DE LA ENERGA | 51 Captulo 3 PROPIEDADES DE LAS
SUSTANCIAS PURAS | 111 Captulo 4 ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS
CERRADOS | 165 Captulo 5 ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE
CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) | 221 Captulo 6 LA SEGUNDA LEY DE LA
TERMODINMICA | 281 Captulo 7 ENTROPA | 333 Captulo 8 EXERGA: UNA
MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO | 429 Captulo 9 CICLOS DE POTENCIA
DE GAS | 493 Captulo 10 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS |
561
9. | xiii Prefacio xxi Captulo 1 INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS
| 1 1-1 Termodinmica y energa 2 reas de aplicacin de la
termodinmica 3 1-2 Importancia de las dimensiones y unidades 3
Algunas unidades SI e inglesas 6 Homogeneidad dimensional 8
Relaciones de conversin de unidades 9 1-3 Sistemas cerrados y
abiertos 10 1-4 Propiedades de un sistema 12 Continuo 12 1-5
Densidad y densidad relativa 13 1-6 Estado y equilibrio 14
Postulado de estado 14 1-7 Procesos y ciclos 15 Proceso de flujo
estacionario 16 1-8 Temperatura y ley cero de la termodinmica 17
Escalas de temperatura 17 Escala de temperatura internacional de
1990 (ITS-90) 20 1-9 Presin 21 Variacin de la presin con la
profundidad 23 1-10 Manmetro 26 Otros dispositivos de medicin de
presin 29 1-11 Barmetro y presin atmosfrica 29 1-12 Tcnica para
resolver problemas 33 Paso 1: enunciado del problema 33 Paso 2:
esquema 33 Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34 Paso 4: leyes
fsicas 34 Paso 5: propiedades 34 Paso 6: clculos 34 Paso 7:
razonamiento, comprobacin y anlisis 34 Paquetes de software de
ingeniera 35 Programa para resolver ecuaciones de Ingeniera
(Engineering Equation Solver, EES) 36 Observacin acerca de los
dgitos significativos 38 Contenido Resumen 39 Referencias y
lecturas recomendadas 39 Problemas 40 Captulo 2 ENERGA,
TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISIS GENERAL DE ENERGA | 51 2-1
Introduccin 52 2-2 Formas de energa 53 Algunas consideraciones
fsicas en relacin con la energa interna 55 Ms sobre energa nuclear
56 Energa mecnica 58 2-3 Transferencia de energa por calor 60
Antecedentes histricos sobre el calor 61 2-4 Transferencia de
energa por trabajo 62 Trabajo elctrico 65 2-5 Formas mecnicas del
trabajo 66 Trabajo de flecha 66 Trabajo de resorte 67 Trabajo hecho
sobre barras slidas elsticas 67 Trabajo relacionado con el
estiramiento de una pelcula lquida 68 Trabajo hecho para elevar o
acelerar un cuerpo 68 Formas no mecnicas del trabajo 69 2-6 La
primera ley de la termodinmica 70 Balance de energa 71 Cambio de
energa de un sistema, Esistema 72 Mecanismos de transferencia de
energa, Eentrada y Esalida 73 2-7 Eficiencia en la conversin de
energa 78 Eficiencia de dispositivos mecnicos y elctricos 82 2-8
Energa y ambiente 86 Ozono y smog 87 Lluvia cida 88 Efecto
invernadero: calentamiento global y cambio climtico 89 Tema de
inters especial. Mecanismos de transferencia de calor 92 Resumen 96
Referencias y lecturas recomendadas 97 Problemas 98
10. xiv | Contenido Captulo 3 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS
PURAS | 111 3-1 Sustancia pura 112 3-2 Fases de una sustancia pura
112 3-3 Procesos de cambio de fase en sustancias puras 113 Lquido
comprimido y lquido saturado 114 Vapor saturado y vapor
sobrecalentado 114 Temperatura de saturacin y presin de saturacin
115 Algunas consecuencias de la dependencia de Tsat y Psat 117 3-4
Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase 118 1
Diagrama T-v 118 2 Diagrama P-v 120 Ampliacin de los diagramas para
incluir la fase slida 121 3 Diagrama P-T 124 Superficie P-v-T 125
3-5 Tablas de propiedades 126 Entalpa: una propiedad de combinacin
126 1a Estados de lquido saturado y de vapor saturado 127 1b Mezcla
saturada de lquido-vapor 129 2 Vapor sobrecalentado 132 3 Lquido
comprimido 133 Estado de referencia y valores de referencia 135 3-6
Ecuacin de estado de gas ideal 137 El vapor de agua es un gas
ideal? 139 3-7 Factor de compresibilidad, una medida de la
desviacin del comportamiento de gas ideal 139 3-8 Otras ecuaciones
de estado 144 Ecuacin de estado de Van der Waals 144 Ecuacin de
estado de Beattie-Bridgeman 145 Ecuacin de estado de
Benedict-Webb-Rubin 145 Ecuacin de estado virial 145 Tema de inters
especial. Presin de vapor y equilibrio de fases 149 Resumen 153
Referencias y lecturas recomendadas 154 Problemas 154 Captulo 4
ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS | 165 4-1 Trabajo de
frontera mvil 166 Proceso politrpico 171 4-2 Balance de energa para
sistemas cerrados 173 4-3 Calores especficos 178 4-4 Energa
interna, entalpa y calores especficos de gases ideales 180
Relaciones de calores especficos de gases ideales 182 4-5 Energa
interna, entalpa y calores especficos de slidos y lquidos 189
Cambios de energa interna 189 Cambios de entalpa 189 Tema de inters
especial. Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos 193
Resumen 200 Referencias y lecturas recomendadas 201 Problemas 201
Captulo 5 ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE CONTROL (SISTEMAS
ABIERTOS) | 221 5-1 Conservacin de la masa 222 Flujos msico y
volumtrico 222 Principio de conservacin de la masa 224 Balance de
masa para procesos de flujo estacionario 225 Caso especial: flujo
incompresible 226 5-2 Trabajo de flujo y energa de un fluido en
movimiento 228 Energa total de un fluido en movimiento 229 Energa
transportada por la masa 230 5-3 Anlisis de energa de sistemas de
flujo estacionario 232 5-4 Algunos dispositivos de ingeniera de
flujo estacionario 235 1 Toberas y difusores 235 2 Turbinas y
compresores 238 3 Vlvulas de estrangulamiento 241 4a Cmaras de
mezclado 242 4b Intercambiadores de calor 244 5 Flujo en tuberas y
ductos 246 5-5 Anlisis de procesos de flujo no estacionario 248
Tema de inters especial. Ecuacin general de energa 254 Resumen 257
Referencias y lecturas recomendadas 258 Problemas 258 Captulo 6 LA
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA | 281 6-1 Introduccin a la segunda
ley 282 6-2 Depsitos de energa trmica 283
11. Contenido | xv 6-3 Mquinas trmicas 284 Eficiencia trmica
285 Es posible ahorrar Qsalida ? 287 La segunda ley de la
termodinmica: enunciado de Kelvin-Planck 289 6-4 Refrigeradores y
bombas de calor 289 Coeficiente de desempeo 290 Bombas de calor 291
La segunda ley de la termodinmica: enunciado de Clausius 294
Equivalencia de los dos enunciados 294 6-5 Mquinas de movimiento
perpetuo 295 6-6 Procesos reversibles e irreversibles 298
Irreversibilidades 299 Procesos interna y externamente reversibles
300 6-7 El ciclo de Carnot 301 Ciclo de Carnot inverso 303 6-8
Principios de Carnot 303 6-9 Escala termodinmica de temperatura 305
6-10 La mquina trmica de Carnot 307 Calidad de la energa 309
Cantidad contra calidad en la vida diaria 310 6-11 El refrigerador
de Carnot y la bomba de calor 311 Tema de inters especial.
Refrigeradores domsticos 313 Resumen 317 Referencias y lecturas
recomendadas 318 Problemas 318 Captulo 7 ENTROPA | 333 7-1 Entropa
334 Caso especial: procesos isotrmicos de transferencia de calor
internamente reversibles 336 7-2 El principio del incremento de
entropa 337 Algunos comentarios sobre la entropa 339 7-3 Cambio de
entropa de sustancias puras 341 7-4 Procesos isentrpicos 345 7-5
Diagramas de propiedades que involucran a la entropa 346 7-6 Qu es
la entropa? 348 La entropa y la generacin de entropa en la vida
diaria 350 7-7 Las relaciones T ds 352 7-8 Cambio de entropa de
lquidos y slidos 353 7-9 Cambio de entropa de gases ideales 356
Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 357 Calores
especficos variables (anlisis exacto) 358 Proceso isentrpico de
gases ideales 360 Calores especficos constantes (anlisis
aproximado) 360 Calores especficos variables (anlisis exacto) 361
Presin relativa y volumen especfico relativo 361 7-10 Trabajo
reversible en flujo estacionario 364 Demostracin de que los
dispositivos de flujo estacionario entregan el mximo trabajo y
consumen el mnimo cuando el proceso es reversible 367 7-11
Minimizacin del trabajo del compresor 368 Compresin por etapas
mltiples con interenfriamiento 369 7-12 Eficiencias isentrpicas de
dispositivos de flujo estacionario 372 Eficiencia isentrpica de
turbinas 373 Eficiencias isentrpicas de compresores y bombas 375
Eficiencia isentrpica de toberas aceleradoras 377 7-13 Balance de
entropa 379 Cambio de entropa de un sistema, )Ssistema 380
Mecanismos de transferencia de entropa, Sentrada y Ssalida 380 1
Transferencia de calor 380 2 Flujo msico 381 Generacin de entropa,
Sgen 382 Sistemas cerrados 383 Volmenes de control 383 Generacin de
entropa asociada con un proceso de transferencia de calor 391 Tema
de inters especial. Reduccin del costo del aire comprimido 393
Resumen 402 Referencias y lecturas recomendadas 403 Problemas 404
Captulo 8 EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO | 429 8-1
Exerga: potencial de trabajo de la energa 430 Exerga (potencial de
trabajo) asociado con la energa cintica y potencial 431 8-2 Trabajo
reversible e irreversibilidad 433 8-3 Eficiencia segn la segunda
ley, hII 438 8-4 Cambio de exerga de un sistema 440 Exerga de una
masa fija: exerga sin flujo (o de sistema cerrado) 441 Exerga de
una corriente de fluido: exerga de flujo (o corriente) 443 8-5
Transferencia de exerga por calor, trabajo y masa 446 Transferencia
de exerga por calor, Q 446 Transferencia de exerga por trabajo, W
448 Transferencia de exerga por masa, m 448 8-6 Principio de
disminucin de exerga y destruccin de exerga 449 Destruccin de
exerga 450
12. 8-7 Balance de exerga: sistemas cerrados 450 8-8 Balance de
exerga: volmenes de control 463 Balance de exerga para sistemas de
flujo estacionario 464 Trabajo reversible, W rev 465 Eficiencia
segn la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario, hII
465 Tema de inters especial. Aspectos cotidianos de la segunda ley
471 Resumen 475 Referencias y lecturas recomendadas 476 Problemas
476 Captulo 9 CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 493 9-1 Consideraciones
bsicas para el anlisis de los ciclos de potencia 494 9-2 El ciclo
de Carnot y su valor en ingeniera 496 9-3 Suposiciones de aire
estndar 498 9-4 Breve panorama de las mquinas reciprocantes 499 9-5
Ciclo de Otto: el ciclo ideal para las mquinas de encendido por
chispa 500 9-6 Ciclo diesel: el ciclo ideal para las mquinas de
encendido por compresin 506 9-7 Ciclos Stirling y Ericsson 509 9-8
Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motores de turbina de gas
513 Desarrollo de las turbinas de gas 516 Desviacin de los ciclos
reales de turbina de gas en comparacin con los idealizados 519 9-9
Ciclo Brayton con regeneracin 521 9-10 Ciclo Brayton con
interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin 523 9-11 Ciclos
ideales de propulsin por reaccin 527 Modificaciones para motores de
turborreactor 531 9-12 Anlisis de ciclos de potencia de gas con
base en la segunda ley 533 Tema de inters especial. Ahorro de
combustible y dinero al manejar con sensatez 536 Resumen 543
Referencias y lecturas recomendadas 544 Problemas 545 xvi |
Contenido Captulo 10 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 561
10-1 El ciclo de vapor de Carnot 562 10-2 Ciclo Rankine: el ciclo
ideal para los ciclos de potencia de vapor 563 Anlisis de energa
del ciclo Rankine ideal 564 10-3 Desviacin de los ciclos de
potencia de vapor reales respecto de los idealizados 567 10-4 Cmo
incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 570 Reduccin de la
presin del condensador (reduccin de Tbaja,prom) 570
Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de
Talta,prom) 571 Incremento de la presin de la caldera (incremento
de Talta,prom) 571 10-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento
574 10-6 El ciclo Rankine ideal regenerativo 578 Calentadores
abiertos de agua de alimentacin 578 Calentadores cerrados de agua
de alimentacin 580 10-7 Anlisis de ciclos de potencia de vapor con
base en la segunda ley 586 10-8 Cogeneracin 588 10-9 Ciclos de
potencia combinados de gas y vapor 593 Tema de inters especial.
Ciclos binarios de vapor 596 Resumen 599 Referencias y lecturas
recomendadas 599 Problemas 600 Captulo 11 CICLOS DE REFRIGERACIN |
617 11-1 Refrigeradores y bombas de calor 618 11-2 El ciclo
invertido de Carnot 619 11-3 El ciclo ideal de refrigeracin por
compresin de vapor 620 11-4 Ciclo real de refrigeracin por
compresin de vapor 624 11-5 Seleccin del refrigerante adecuado 626
11-6 Sistemas de bombas de calor 628 11-7 Sistemas innovadores de
refrigeracin por compresin de vapor 630 Sistemas de refrigeracin en
cascada 630 Sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples
etapas 633
13. Contenido | xvii Sistemas de refrigeracin de propsito
mltiple con un solo compresor 635 Licuefaccin de gases 636 11-8
Ciclos de refrigeracin de gas 638 11-9 Sistemas de refrigeracin por
absorcin 641 Tema de inters especial. Sistemas termoelctricos de
generacin de potencia y de refrigeracin 644 Resumen 646 Referencias
y lecturas recomendadas 647 Problemas 647 Captulo 12 RELACIONES DE
PROPIEDADES TERMODINMICAS | 663 12-1 Un poco de matemticas:
derivadas parciales y relaciones asociadas 664 Diferenciales
parciales 665 Relaciones de derivadas parciales 667 12-2 Relaciones
de Maxwell 668 12-3 La ecuacin de Clapeyron 670 12-4 Relaciones
generales para du, dh, ds, cv y cp 673 Cambios en la energa interna
673 Cambios de entalpa 674 Cambios de entropa 675 Calores
especficos cv y cp 676 12-5 El coeficiente Joule-Thomson 680 12-6
Las h, u y s de gases reales 681 Cambios en la entalpa de gases
reales 682 Cambios de energa interna de gases ideales 683 Cambios
de entropa de gases reales 683 Resumen 686 Referencias y lecturas
recomendadas 687 Problemas 687 Captulo 13 MEZCLAS DE GASES | 695
13-1 Composicin de una mezcla de gases: fracciones molares y de
masa 696 13-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases
ideales y reales 698 Mezclas de gases ideales 699 Mezclas de gases
reales 699 13-3 Propiedades de mezclas de gases: gases ideales y
reales 703 Mezclas de gases ideales 704 Mezclas de gases reales 707
Tema de inters especial. Potencial qumico y el trabajo de separacin
de mezclas 711 Resumen 722 Referencias y lecturas recomendadas 723
Problemas 723 Captulo 14 MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO
DE AIRE | 731 14-1 Aire seco y aire atmosfrico 732 14-2 Humedad
especfica y relativa del aire 733 14-3 Temperatura de punto de roco
735 14-4 Temperaturas de saturacin adiabtica y de bulbo hmedo 737
14-5 La carta psicromtrica 740 14-6 Comodidad humana y
acondicionamiento de aire 741 14-7 Procesos de acondicionamiento de
aire 743 Calentamiento y enfriamiento simples (v constante) 744
Calentamiento con humidificacin 745 Enfriamiento con
deshumidificacin 746 Enfriamiento evaporativo 748 Mezclado
adiabtico de flujos de aire 749 Torres de enfriamiento hmedo 751
Resumen 753 Referencias y lecturas recomendadas 755 Problemas 755
Captulo 15 REACCIONES QUMICAS | 767 15-1 Combustibles y combustin
768 15-2 Procesos de combustin terica y real 772 15-3 Entalpa de
formacin y entalpa de combustin 778 15-4 Anlisis de sistemas
reactivos con base en la primera ley 781 Sistemas de flujo
estacionario 781 Sistemas cerrados 783 15-5 Temperatura de flama
adiabtica 786 15-6 Cambio de entropa de sistemas reactivos 789 15-7
Anlisis de sistemas reactivos con base en la segunda ley 791 Tema
de inters especial. Celdas de combustible 796 Resumen 798
Referencias y lecturas recomendadas 799 Problemas 799
14. Captulo 16 EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 811 16-1 Criterio
para el equilibrio qumico 812 16-2 La constante de equilibrio para
mezclas de gases ideales 814 16-3 Algunas observaciones respecto a
la KP de las mezclas de gases ideales 817 16-4 Equilibrio qumico
para reacciones simultneas 822 16-5 Variacin de KP con la
temperatura 824 16-6 Equilibrio de fase 826 Equilibrio de fase para
un sistema de un solo componente 826 La regla de fases 827
Equilibrio de fases para un sistema multicomponente 828 Resumen 833
Referencias y lecturas recomendadas 834 Problemas 835 Captulo 17
FLUJO COMPRESIBLE | 843 17-1 Propiedades de estancamiento 844 17-2
Velocidad del sonido y nmero de Mach 847 17-3 Flujo isentrpico
unidimensional 849 Variacin de la velocidad del fluido con el rea
de flujo 852 Relaciones de propiedades para el flujo isentrpico de
gases ideales 854 17-4 Flujo isentrpico a travs de toberas
aceleradoras 856 Toberas aceleradoras convergentes 856 Toberas
convergentes-divergentes 861 17-5 Ondas de choque y ondas de
expansin 865 Choques normales 865 Choques oblicuos 872 Ondas
expansivas de Prandtl-Meyer 876 17-6 Flujo en un ducto con
transferencia de calor, de friccin insignificante (flujo de
Rayleigh) 880 Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh 886
Flujo de Rayleigh bloqueado 887 17-7 Toberas de vapor de agua 889
Resumen 892 Referencias y lecturas recomendadas 893 Problemas 894
xviii | Contenido Apndice 1 TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y
DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 903 Tabla A-1 Masa molar, constante de
gas y propiedades del punto crtico 904 Tabla A-2 Calores especficos
de gas ideal de varios gases comunes 905 Tabla A-3 Propiedades de
lquidos, slidos y alimentos comunes 908 Tabla A-4 Agua saturada.
Tabla de temperaturas 910 Tabla A-5 Agua saturada. Tabla de
presiones 912 Tabla A-6 Vapor de agua sobrecalentado 914 Tabla A-7
Agua lquida comprimida 918 Tabla A-8 Hielo saturado. Vapor de agua
919 Figura A-9 Diagrama T-s para el agua 920 Figura A-10 Diagrama
de Mollier para el agua 921 Tabla A-11 Refrigerante 134a saturado.
Tabla de temperatura 922 Tabla A-12 Refrigerante 134a saturado.
Tabla de presin 924 Tabla A-13 Refrigerante 134a sobrecalentado 925
Figura A-14 Diagrama P-h para el refrigerante 134a 927 Figura A-15
Grfica generalizada de compresibilidad de Nelson-Obert 928 Tabla
A-16 Propiedades de la atmsfera a gran altitud 929 Tabla A-17
Propiedades de gas ideal del aire 930 Tabla A-18 Propiedades de gas
ideal del nitrgeno, N2 932 Tabla A-19 Propiedades de gas del
oxgeno, O2 934 Tabla A-20 Propiedades de gas ideal del dixido de
carbono, CO2 936 Tabla A-21 Propiedades de gas ideal del monxido de
carbono, CO 938 Tabla A-22 Propiedades de gas ideal del hidrgeno,
H2 940 Tabla A-23 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O
941 Tabla A-24 Propiedades de gas ideal del oxgeno monoatmico, O
943 Tabla A-25 Propiedades de gas ideal del hidroxilo, OH 943
15. Contenido | xix Tabla A-26 Entalpa de formacin, funcin de
Gibbs de formacin y entropa absoluta a 25C, 1 atm 944 Tabla A-27
Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 945
Tabla A-28 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp
946 Figura A-29 Grfica generalizada de desviacin de entalpa 947
Figura A-30 Grfica generalizada de desviacin de entropa 948 Figura
A-31 Grfica psicromtrica a 1 atm de presin total 949 Tabla A-32
Funciones de flujo compresible unidimensional e isentrpico de un
gas ideal con k 1.4 950 Tabla A-33 Funciones de choque normal
unidimensional de un gas ideal con k 1.4 951 Tabla A-34 Funciones
del flujo de Rayleigh para un gas ideal con k 1.4 952 Apndice 2
TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) |
953 Tabla A-1E Masa molar, constante de gas y propiedades del punto
crtico 954 Tabla A-2E Calores especficos de gas ideal de varios
gases comunes 955 Tabla A-3E Propiedades de lquidos, slidos y
alimentos comunes 958 Tabla A-4E Agua saturada. Tabla de
temperaturas 960 Tabla A-5E Agua saturada. Tabla de presiones 962
Tabla A-6E Vapor de agua sobrecalentado 964 Tabla A-7E Agua lquida
comprimida 968 Tabla A-8E Hielo saturado. Vapor de agua 969 Figura
A-9E Diagrama T-s para el agua 970 Figura A-10E Diagrama de Mollier
para el agua 971 Tabla A-11E Refrigerante 134a saturado. Tabla de
temperatura 972 Tabla A-12E Refrigerante 134a saturado. Tabla de
presin 973 Tabla A-13E Refrigerante 134a sobrecalentado 974 Figura
A-14E Diagrama P-h para refrigerante 134a 976 Tabla A-16E
Propiedades de la atmsfera a gran altitud 977 Tabla A-17E
Propiedades de gas ideal del aire 978 Tabla A-18E Propiedades de
gas ideal del nitrgeno, N2 980 Tabla A-19E Propiedades de gas ideal
del oxgeno, O2 982 Tabla A-20E Propiedades de gas ideal del dixido
de carbono, CO2 984 Tabla A-21E Propiedades de gas ideal del
monxido de carbono, CO 986 Tabla A-22E Propiedades de gas ideal del
hidrgeno, H2 988 Tabla A-23E Propiedades de gas ideal del vapor de
agua, H2O 989 Tabla A-26E Entalpa de formacin, funcin de Gibbs de
formacin y entropa absoluta a 77C, 1 atm 991 Tabla A-27E
Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 992
Figura A-31E Grfica psicromtrica a 1 atm de presin total 993 ndice
995
16. ANTECEDENTES La termodinmica es una materia excitante y
fascinante que trata sobre la energa, la cual es esencial para la
conservacin de la vida mientras que la ter- modinmica ha sido por
mucho tiempo una parte fundamental de los progra- mas de estudio de
ingeniera en todo el mundo. Ciencia que tiene una amplia aplicacin
que va desde los organismos microscpicos hasta los electrodoms-
ticos, los vehculos de transporte, los sistemas de generacin de
energa elc- trica e incluso la filosofa. Este libro contiene
suficiente material para dos cursos consecutivos de termodinmica y
se supone que los estudiantes poseen antecedentes slidos en fsica y
clculo. OBJETIVOS Esta obra est pensada para ser utilizada por los
estudiantes como libro de texto durante los ltimos aos de su
licenciatura y por ingenieros expertos como libro de referencia.
Los objetivos de esta obra son: Cubrir los principios bsicos de la
termodinmica. Presentar una vasta cantidad de ejemplos reales de
ingeniera con la finalidad de proporcionar al estudiante una idea
de cmo se aplica la termodinmica en la prctica de la ingeniera.
Desarrollar una comprensin intuitiva de la termodinmica haciendo
nfasis en la fsica y en los argumentos fsicos. Se desea sobre todo
que este libro mediante sus explicaciones claras sobre conceptos y
del uso de numerosos ejemplos prcticos y figuras ayude a los
estudiantes a desarrollar las habilidades bsicas para llenar el
espacio que existe entre el conocimiento y la confianza para
aplicar ade- cuadamente tal aprendizaje. FILOSOFA Y OBJETIVO La
filosofa que contribuy a la enorme popularidad que gozaron
anteriores ediciones de esta obra se ha conservado intacta en esta
nueva edicin. En par- ticular, el objetivo ha sido proporcionar un
libro de Ingeniera que Llegue directamente y de una manera simple
pero precisa a la mente de los futuros ingenieros. Conduzca a los
estudiantes hacia una comprensin clara y un conoci- miento firme de
los principios bsicos de la termodinmica. Fomente el pensamiento
creativo y el desarrollo de una compresin ms profunda y un
conocimiento intuitivo sobre la materia. Sea ledo por los
estudiantes con inters y entusiasmo en vez de que se utilice como
una ayuda en la resolucin de problemas. PREFACIO | xxi
17. xxii | Prefacio Se ha hecho un esfuerzo especial para
atraer la curiosidad natural de los lec- tores y ayudar a los
estudiantes a explorar las diversas facetas del emocionante tema de
la termodinmica. La respuesta entusiasta que hemos recibido por
par- te de los usuarios de ediciones anteriores desde pequeas
escuelas hasta grandes universidades indica que nuestros objetivos
se han alcanzado en bue- na parte. Nuestra filosofa ha sido que la
mejor forma de aprender es a travs de la prctica, por lo tanto se
ha realizado un esfuerzo especial a lo largo de todo el libro para
reforzar el material que se present en ediciones anteriores. Antes,
los ingenieros pasaban una gran parte de su tiempo sustituyendo va-
lores en las frmulas y obteniendo resultados numricos; sin embargo,
ahora la manipulacin de frmulas y el procesamiento de datos
numricos se reser- van principalmente a las computadoras. El
ingeniero del maana deber tener una comprensin clara y
conocimientos firmes sobre los principios bsicos de modo que pueda
comprender incluso los problemas ms complejos, formular- los e
interpretar los resultados. Nos esforzamos por enfatizar estos
principios bsicos y adems ofrecemos a los estudiantes un panorama
del uso que se da a las computadoras en la prctica de la Ingeniera.
En todo el libro se ha utilizado el enfoque tradicional clsico o
macrosc- pico con argumentos microscpicos que juegan un papel de
soporte. Este en- foque est ms en lnea con la intuicin de los
estudiantes y hace mucho ms fcil el aprendizaje de la materia. LO
NUEVO EN ESTA EDICIN Todas las caractersticas conocidas de las
ediciones anteriores se conservan y adems se aaden nuevas.
Exceptuando la reorganizacin del tratamiento de la primera ley y la
actualizacin de las propiedades del vapor y del refrige- rante, el
cuerpo principal del texto permanece en su mayor parte sin modifi-
caciones. PRESENTACIN TEMPRANA DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA
La primera ley de la termodinmica se presenta ahora en esta edicin
al prin- cipio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y
anlisis general de la energa. Este captulo introductorio conforma
el marco para establecer una comprensin general de las diferentes
formas de la energa, los mecanismos para la transferencia de
energa, el concepto de balance de energa, la economa termodinmica,
la conversin de energa y la eficiencia de conver- sin, mediante el
uso de escenarios familiares dentro de los que se incluyen formas
de energa elctrica y mecnica, principalmente. Asimismo, en las
primeras etapas del curso se expone para los estudiantes algunas
formidables aplicaciones de la termodinmica en la vida real y les
ayuda a crear concien- cia del valor econmico de la energa. MS DE
700 PROBLEMAS DETALLADOS NUEVOS En esta edicin se incluyen ms de
700 problemas detallados nuevos, que se originaron principalmente
en aplicaciones industriales. Son problemas cuya solucin requiere
investigaciones paramtricas, y por tanto el uso de una computadora;
se identifican con un cono, como antes. NFASIS EN LA FSICA Una
caracterstica distintiva de este libro es el nfasis en los aspectos
fsicos del tema, adems de las representaciones y manipulaciones.
Los autores creen que el nfasis en la educacin de licenciatura debe
ser desarrollar un sentido de los mecanismos fsicos subyacentes, y
un dominio de solucin de
18. Prefacio | xxiii problemas prcticos que es probable que un
ingeniero deba encarar en el mundo real. El desarrollo de una
comprensin intuitiva tambin debe hacer algo ms motivadora y valiosa
para los estudiantes. USO EFICIENTE DE LA ASOCIACIN Una mente
observadora no debe tener dificultades para comprender las cien-
cias de la ingeniera. Despus de todo, los principios de estas
ciencias se basan en experiencias cotidianas y observaciones
experimentales. A lo largo de la obra se usar un enfoque intuitivo
ms fsico y con frecuencia se reali- zan similitudes entre el tema
en cuestin y las experiencias diarias de los estudiantes, de modo
que puedan relacionar la materia estudiada con lo que saben de
antemano. El proceso de cocinar, por ejemplo, sirve como un exce-
lente vehculo para demostrar los principios bsicos de la
termodinmica. AUTOAPRENDIZAJE El material del texto se presenta en
un nivel de complejidad tal que un estu- diante promedio pueda
seguirlos sin tener ningn problema. Se dirige a los estudiantes, no
pasa sobre ellos; de hecho, se presta para el autoaprendizaje. La
secuencia de la cobertura del material va de lo simple a lo
general. Es decir, comienza con el caso ms simple y agrega
complejidad de forma gra- dual. De esta manera los conceptos bsicos
se aplican repetidamente a sis- temas distintos, por lo que los
estudiantes adquieren un dominio de cmo aplicar los principios en
lugar de cmo simplificar una frmula general. Al observar que los
principios de la ciencia se basan en observaciones experi-
mentales, todas las deducciones que se presentan en este libro se
basan en argumentos fsicos, por lo tanto son fciles de seguir y
comprender. AMPLIO USO DE IMGENES Las figuras son instrumentos
importantes para el aprendizaje y permiten a los estudiantes darse
una idea general. En el texto se hace un uso eficiente de los
grficos: contiene ms figuras e ilustraciones que ningn otro libro
de esta categora. Las figuras atraen la atencin y estimulan la
curiosidad y el inters. Algunas de las figuras sirven como un medio
para enfatizar conceptos impor- tantes que de otra forma pasaran
inadvertidos, mientras que otras se utilizan como resmenes de
prrafos. El famoso personaje de la historieta Blondie (en espaol
conocido como Lorenzo Parachoques, de la tira cmica Lorenzo y
Pepita) se usa para resaltar con humor algunos puntos clave, as
como para romper el hielo y relajar la tensin. Quin dice que el
estudio de la termo- dinmica no puede ser divertido? OBJETIVOS DE
APRENDIZAJE Y RESMENES Los captulos comienzan con una descripcin
general del material que se estudiar y con los objetivos de
aprendizaje especficos. Al final de cada captulo se incluye un
resumen que proporciona una revisin rpida de los conceptos bsicos y
relaciones importantes enfatizando la importancia del material.
NUMEROSOS EJEMPLOS DE EJERCICIOS CON UN PROCEDIMIENTO SISTEMTICO
PARA RESOLVERLOS Cada captulo contiene varios ejemplos de
ejercicios que esclarecen el mate- rial e ilustran el uso de los
principios bsicos. En la resolucin de los proble- mas de ejemplo se
utiliz un enfoque intuitivo y sistemtico, mientras que se conserv
un estilo informal de conversacin. En primer trmino se enuncia el
problema y se identifican los objetivos. Despus, se establecen las
suposi- ciones junto con sus justificaciones. En forma separada, se
enlistan las
19. xxiv | Prefacio propiedades necesarias para resolver el
problema, si as lo amerita. Se uti- lizan valores numricos en
conjunto con sus unidades para enfatizar que si los primeros
carecen de las segundas no tienen ningn significado, y que la
manipulacin de stas es tan importante como la manipulacin de
aqullos mediante el uso de la calculadora. Una vez que se llega a
la solucin, se anali- za el significado del valor que se obtuvo.
Este mtodo se utiliza tambin de ma- nera consistente en las
resoluciones que se presentan en el manual de respuestas del
profesor. UNA GRAN CANTIDAD DE PROBLEMAS REALES AL FINAL DE CADA
CAPTULO Los problemas que se incluyen al final de cada captulo estn
agrupados bajo temas especficos a fin de hacer que la seleccin de
problemas sea ms fcil tanto para el profesor como para el
estudiante. En cada grupo de problemas se encuentran Preguntas de
concepto, indicadas con la letra C, para verificar el nivel de
comprensin del estudiante sobre conceptos bsicos. Los problemas que
se agrupan en el apartado Problemas de repaso son de naturaleza ms
completa y no estn relacionados directamente con alguna seccin
especfica de determinado captulo (en algunos casos requieren la
revisin del material que se aprendi en los captulos anteriores).
Los del apartado Diseo y ensayo tienen como objetivo alentar a los
estudiantes a elaborar juicios sobre inge- niera, conducir la
investigacin independiente de temas de inters y comu- nicar sus
descubrimientos de manera profesional. Los problemas identificados
con la letra E estn en unidades inglesas, por lo que los usuarios
del SI pueden ignorarlos. Los problemas marcados con el cono se
resuelven uti- lizando el software Engineer Equation Solver (EES),
y todas sus soluciones junto con los estudios paramtricos estn
incluidos en el DVD anexo al libro. Los problemas marcados con el
cono son de naturaleza ms completa y estn diseados para resolverse
por medio de la computadora, de preferencia utilizando el software
que acompaa al libro. Varios problemas relacionados con la economa
y la seguridad se incorporan a lo largo del libro para reforzar
entre los estudiantes de ingeniera la conciencia acerca del costo y
la seguri- dad. Las respuestas a algunos problemas seleccionados se
enumeran inme- diatamente despus de la descripcin de los mismos
para mayor comodidad. Adems, con el fin de preparar a los
estudiantes para el examen sobre funda- mentos de ingeniera (que
cada vez cobra mayor importancia en el criterio de seleccin del
ABET 2000) y para facilitar los exmenes de opcin mltiple, se
incluyeron ms de 200 problemas de opcin mltiple en los diferentes
aparta- dos de los problemas que se hallan al final de cada
captulo. Dichos problemas estn identificados bajo el ttulo
Problemas para el examen sobre fundamentos de ingeniera (FI) a fin
de que sean reconocibles fcilmente. El objetivo de estos problemas
es verificar la comprensin de los fundamentos y ayudar a los
lectores a evitar que incurran en errores comunes. CONVENCIN DE
SIGNOS Se renuncia al uso de una convencin de signos formal para
calor y trabajo de- bido a que a menudo puede ser contraproducente.
Se adopta un mtodo fsica- mente significativo e interesante para
crear interacciones en lugar de un mto- do mecnico. Los subndices
entrada y salida se emplean en lugar de los signos ms y menos con
el fin de sealar las direcciones de las interacciones. FRMULAS
FSICAMENTE SIGNIFICATIVAS Las formas fsicamente significativas de
las ecuaciones de balance se usan en lugar de las frmulas, a fin de
fomentar una comprensin ms profunda y evitar un mtodo del tipo
receta de cocina. Los balances de masa, energa,
20. Prefacio | xxv entropa y exerga para cualquier sistema que
experimenta cualquier proceso se expresan como sigue Balance de
masa: Balance de energa: Balance de entropa: Balance de exerga:
Estas relaciones reafirman que durante un proceso real la masa y la
energa se conservan, la entropa se genera y la exerga se destruye.
Se invita a los estu- diantes a que usen estas formas de balance en
los primeros captulos despus de que especifiquen el sistema y las
simplifiquen para cada problema en par- ticular. Un mtodo mucho ms
relajado se emplea en los captulos posteriores a medida que los
estudiantes van adquiriendo un mayor dominio. LA SELECCIN DE
UNIDADES SI O EN UNIDADES INGLESAS Como un reconocimiento al hecho
de que las unidades inglesas an se usan ampliamente en algunas
industrias, en el libro se emplean tanto unidades SI como inglesas,
haciendo nfasis en el SI. El contenido se puede cubrir usan- do la
combinacin de unidades SI e inglesas o nicamente las del SI, de
acuerdo con la preferencia del profesor. Las grficas y tablas de
propiedades en los apndices se presentan en ambas unidades, excepto
en aquellas que implican cantidades dimensionales. Los problemas,
tablas y grficas en uni- dades inglesas estn identificados con la
letra E, colocado despus del n- mero con la finalidad de que sea
sencillo reconocerlos; asimismo, los usua- rios del sistema SI
pueden ignorarlos sin ningn problema. TEMAS DE INTERS ESPECIAL La
mayora de los captulos contienen una seccin llamada Tema de inters
especial, en la que se analizan algunos aspectos interesantes de la
termodi- nmica. Ejemplos de ello son Aspectos termodinmicos de los
sistemas biol- gicos, que aparece en el captulo 4; Refrigeradores
domsticos, del 6; Aspec- tos cotidianos de la segunda ley, del 8, y
Ahorro de combustible y dinero al manejar sensatamente, del captulo
9. Los temas seleccionados para esta sec- cin ofrecen extensiones
verdaderamente intrigantes sobre termodinmica; sin embargo, si se
desea pueden omitirse sin que esto represente una prdida de
continuidad. GLOSARIO DE TRMINOS TERMODINMICOS A lo largo de todos
los captulos, cuando se presenta y define un trmino o concepto de
fundamental importancia, ste aparece en negritas. FACTORES DE
CONVERSIN Los factores de conversin y las constantes fsicas de uso
frecuente se listan en las pginas de las cubiertas interiores del
texto para que sean una referen- cia fcil de usar. Transferencia
neta de energa por calor, trabajo y masa Cambio en la energa
interna, cintica, potencial, etc. Transferencia neta de entropa por
calor, trabajo y masa Generacin entrpica Cambio en la entropa
Transferencia neta de exerga por calor, trabajo y masa Destruccin
de exerga Cambio de exerga Xentrada Xsalida Xeliminado Xsistema
entrada salida gen sistema Eentrada Esalida Esistema entrada salida
sistema
21. xxvi | Prefacio SUPLEMENTOS Los siguientes suplementos se
encuentran disponibles para quienes estudian con este libro. DVD DE
RECURSOS PARA EL ESTUDIANTE Incluido sin costo alguno en cada
ejemplar, este DVD ofrece una gran canti- dad de recursos para los
estudiantes que incluye experimentos fsicos de ter- modinmica, una
gua interactiva y el software EES. Experimentos fsicos de
termodinmica: Una caracterstica nueva de esta edicin es la inclusin
de experimentos fsicos de termodinmica, elaborados por Ronald
Mullisen del Departamento de Ingeniera Mecnica de Cal Poly, en San
Luis Obispo. Ubicados en lugares convenientes en los mrgenes de los
captulos 1, 3 y 4, estos experimentos fsicos aparecen mediante
fotogra- fas y texto que se relacionan directamente con el material
estudiado en esa pgina. Los textos remiten al lector a los
problemas que se hallan al final del captulo, los cuales
proporcionan una breve descripcin de los experimentos. stos cubren
los temas propiedades termodinmicas, procesos termodinmi- cos y
leyes termodinmicas. El DVD de recursos para el estudiante cubre
completamente los nueve experimentos, cada uno de los cuales
contiene un videoclip, una narracin completa que a su vez contiene
los antecedentes his- tricos y datos reales (en un archivo de
Excel, generalmente). Las respuestas tambin se proporcionan en el
sitio de Internet que acompaa al libro y estn protegidos con
contrasea para el uso del profesor. Una vez que el estudiante haya
visto el video y ledo el texto, estar listo para reducir los datos
y obte- ner resultados que se relacionan directamente con el
material que se presenta en los captulos. En todos los
experimentos, los resultados finales se compa- ran con la
informacin publicada. La mayora de los experimentos arrojan re-
sultados finales que se encuentran dentro del 10 por ciento o muy
cerca de este porcentaje respecto a los valores publicados. Gua
interactiva de termodinmica: Tambin incluida en el DVD de recur-
sos para el estudiante est la Gua interactiva de termodinmica,
desarrollada por Ed Anderson de la Texas Tech University. Esta gua
revisada se relaciona directamente con el texto a travs de un cono
que indica cundo los estu- diantes debern remitirse a sta para
investigar ms a fondo temas especficos como el balance de energa y
los procesos isentrpicos. Engineering Equation Solver (EES):
Desarrollado por Sanford Klein y Wi- lliam Beckman, de University
of Wisconsin-Madison, este programa combina la capacidad de
resolver ecuaciones y los datos de las propiedades de inge- niera.
El EES puede hacer operaciones de optimizacin, anlisis paramtri-
cos y regresin lineal y no lineal; adems, posee la capacidad para
elaborar grficos con la calidad que se requiere para su publicacin.
Se incluyen las propiedades termodinmicas y de transporte del aire,
agua y muchos otros fluidos, lo que permite que el usuario del EES
pueda ingresar datos de pro- piedades o relaciones
funcionales.
22. Prefacio | xxvii AGRADECIMIENTOS Los autores desean
reconocer, con aprecio, los numerosos y valiosos comenta- rios,
sugerencias, crticas constructivas y elogios por parte de los
siguientes evaluadores y revisores: Ralph Aldredge University of
CaliforniaDavis M. Cengiz Altan University of Oklahoma M. Ruhul
Amin Montana State University Edward E. Anderson Texas Tech
University Kirby S. Chapman Kansas State University Ram Devireddy
Louisiana State University Timothy Dowling University of Louisville
Gloria D. Elliott University of North CarolinaCharlotte Afshin J.
Ghajar Oklahoma State University Daniel K. Harris Auburn University
Jerre M. Hill University of North CarolinaCharlotte Shoeleh Di
Julio California State UniversityNorthridge Gunol Kojasoy
University of WisconsinMilwaukee Marilyn Lightstone McMaster
University Robert P. Lucht Purdue University Pedro J. Mago
Mississippi State University James A. Mathias Southern Illinois
State University Pavlos G. Mikellides Arizona State University
Laurent Pilon University of CaliforniaLos Angeles Subrata Roy
Kettering University Brian Savilonis Worcester Polytechnic
Institute Kamran Siddiqui Concordia University Robert Spall Utah
State University Israel Urieli Ohio University Sus sugerencias
ayudaron mucho a mejorar la calidad de este texto. En par- ticular
quisiramos expresar nuestra gratitud a Mehmet Kanoglu, de Univer-
sity of Gaziantep, Turqua, por sus valiosas contribuciones, su
revisin crtica del manuscrito y su especial atencin a la exactitud
y al detalle. Tambin quisiramos agradecer a nuestros alumnos, de
quienes conoci- mos gran cantidad de retroalimentacin, de acuerdo
con sus perspectivas. Por ltimo, deseamos expresar nuestro aprecio
a nuestras esposas, Zehra engel y Sylvia Boles, as como a nuestros
hijos, por su persistente paciencia, com- prensin y apoyo durante
la preparacin de este texto. Yunus A. engel Michael A. Boles
23. | xxix La termodinmica es una materia fascinante que trata
sobre la energa. Tiene una amplia aplicacin que va desde los
organismos microscpicos y aparatos domsticos hasta los vehculos,
los sistemas de generacin de potencia e incluso la filosofa. Las
figuras son herramientas importantes para el apren- dizaje que
ayudan a los estudiantes a obte- ner un panorama sobre el tema, y
esta obra utiliza de manera efectiva los grficos al pre- sentar ms
ilustraciones y fotografas que cualquier otro texto sobre
termodinmica. Visita guiada En este libro se hace nfasis en los
aspectos fsi- cos de la termodinmica, as como en las re-
presentaciones y manipulaciones matemticas. Los autores consideran
que el nfasis en la edu- cacin a nivel licenciatura debe continuar
desa- rrollando el conocimiento de los mecanismos f- sicos en los
que se basa esta materia, as como la destreza en la resolucin de
problemas prcticos con los que el ingeniero se enfrentar, muy pro-
bablemente, en el mundo real. Compresor de baja presin (CBP), 5
etapas Colector de aire extrado del CBP Brida de impulsin de
extremo fro Compresor de alta presin, 14 etapas Combustor Mltiple
del sistema de combustible Turbina de alta presin, 2 etapas Turbina
de baja presin, 5 etapas Brida de impulsin de extremo caliente
Cortesa de GE Power Sistemas EJEMPLO 2-17 Ahorros de costo
relacionados con motores de alta eficiencia Un motor elctrico de 60
hp (es decir, que entrega 60 hp de potencia de fle- cha a plena
carga) con una eficiencia de 89 por ciento est descompuesto y debe
ser remplazado por otro de alta eficiencia: 93.2 por ciento (Fig.
2.61). El motor opera 3 500 horas al ao a plena carga. Tomando el
costo unitario de la electricidad como $0.08/kWh, determine la
cantidad de energa y dinero ahorrado como resultado de instalar el
motor de alta eficiencia en lugar del estndar. Tambin determine el
periodo de retorno simple si los precios de compra de los motores
estndar y de alta eficiencia son $4 520 y $5 160, respectivamente.
Solucin Se remplazar un motor inservible estndar por uno de alta
efi- ciencia y se determinar la cantidad de energa elctrica y el
dinero ahorrado, as como el periodo de retorno simple. Suposiciones
El factor de carga del motor permanece constante en 1 (plena carga)
mientras opera Anlisis La potencia elctrica que extrae cada motor y
su diferencia se expre- san como donde estndar es la eficiencia del
motor estndar y eficiente es la del de alta eficiencia. Entonces la
energa anual y los ahorros de costo relacionados con la instalacin
del motor de alta eficiencia son Costos de energa (ahorros de
potencia)(horas de operacin) (potencia nominal)(horas de operacin)
(factor de carga)(1/ estndar 1/ eficiente) (60 hp)(0.7457 kW/hp)(3
500 h/ao)(1)(1/0.89 1/0.932) 7 929 kWh/ao Ahorros de costo (ahorros
de energa)(costo unitario de energa) (7 929 kWh/ao)($0.08/kWh)
$634/ao Asimismo, Costo inicial extra diferencia del precio de
compra $5 160 $4 520 $640 Esto da un periodo de retorno simple de
Explicacin El motor de alta eficiencia paga su diferencia de precio
dentro de un ao debido a la energa elctrica que ahorra. Como la
vida til de los motores elctricos es de varios aos, en este caso la
compra del de mayor efi- ciencia es definitivamente la indicada.
Periodo de retorno simple Costo inicial extra Ahorros de costo
anual $640 $634>aos 1.01 aos Ahorro de energa W # elctrica
entrada,estndar W # elctrica entrada,eficiente W # elctrica
entrada,eficiente W # flecha> eficiente 1potencia nominal2
1factor de carga2> eficiente W # elctrica entrada,estndar W #
flecha> estndar 1potencia nominal2 1factor de carga2> estndar
1potencia nominal 2 1factor de carga2 11> estndar 1>
eficiente2 Motor estndar 60 hp h Motor de alta eficiencia 60 hp
FIGURA 2-61 Esquema para el ejemplo 2-17. h
24. Cada captulo comienza con una perspectiva del material a
exponer, y los objetivos de aprendizaje, que se vinculan con los
objetivos ABET. Se incluye un resumen al final de cada captulo
donde aparece un repaso rpido de los conceptos bsicos y las
relaciones importantes, y se hace destacar la relevancia del
material. Visita guiada xxx | La primera ley de la termodinmica se
presenta al inicio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y
anlisis general de la energa. Este captulo proporciona una
comprensin general de la energa, de los mecanismos de la
transferencia de energa, del concepto de balance de ener- ga, de la
economa trmica, de la conver- sin de la energa y de la eficiencia
de la conversin. Asimismo, se expone al estu- diante desde el
comienzo del curso algu- nas emocionantes aplicaciones de la ter-
modinmica en el mundo real, lo cual les ayuda a establecer un
sentido del valor econmico de la energa EJEMPLO 2-11 Aceleracin de
aire mediante un ventilador Mientras opera, un ventilador que
consume 20 W de potencia elctrica y que se halla en un cuarto
abierto descarga aire a una tasa de 0.25 kg/s y una ve- locidad de
descarga de 8 m/s (Fig. 2.48). Determine si esta afirmacin es ra-
zonable. Solucin Un ventilador incrementa la velocidad del aire a
un valor especifi- cado mientras consume potencia elctrica a una
velocidad especificada. Se investigar la validez de esta afirmacin.
Suposiciones Como el cuarto est relativamente en calma, es
insignificante la velocidad del aire ah contenido. Anlisis Se
examinan las conversiones de energa del caso: el motor del ven-
tilador convierte parte de la potencia elctrica que consume en
potencia me- cnica (flecha) empleada para hacer girar las aspas del
ventilador. Las aspas estn diseadas para transmitir al aire una
porcin grande de la potencia me- cnica de la flecha para moverlo.
En el caso ideal de una permanente opera- cin con ausencia de
prdidas (sin conversin de energa elctrica y mecnica en energa
trmica), la entrada de potencia elctrica ser igual a la tasa de in-
cremento de la energa cintica del aire. Por lo tanto, para un
volumen de control que encierra al motor, el balance de energa se
expresa como Si se despeja y sustituye Vsalida se obtiene la
velocidad mxima de salida de aire lo cual es menor a 8 m/s. Por lo
tanto, la afirmacin es falsa. Explicacin El principio de
conservacin de la energa requiere que la energa se conserve cuando
se convierte de una a otra forma y no permite que ningu- na energa
se cree ni se destruya durante un proceso. Desde el punto de vista
de la primera ley, no hay ningn error con la conversin de toda la
energa elctrica en energa cintica. Por lo tanto, la primera ley no
tiene objecin en que la velocidad del aire alcance 6.3 m/s, pero
ste es el lmite superior. Cualquier afirmacin de una velocidad
mayor a este lmite viola la primera ley y por lo tanto es
imposible. En realidad, la velocidad del aire ser considera-
blemente menor que 6.3 m/s como resultado de las prdidas
relacionadas con la conversin de energa elctrica en energa mecnica
de flecha y la conver- sin de sta en energa cintica del aire.
Vsalida B W # elctrico,entrada 2m # aire B 20 J>s 210.25
kg>s2 a 1 m2 > > s2 1 J>kg b 6.3 m s W #
elctrico,entrada m # aireecsalida m # aire V2 salida 2 Tasa de
cambio en las energas internaTasa de transferencia de energa neta
por calor, trabajo y masa cintica, potencial, etctera dEsistema
> dt 0 1permanente 2 0 S E # entrada E # salida E # entrada E #
salida Aire 8 m/s Ventilador FIGURA 2-48 Esquema para el ejemplo
2-11. Vol. 0557/PhotoDisc Objetivos Los objetivos del captulo 8
son: Examinar el funcionamiento de mecanismos de ingeniera a la luz
de la segunda ley de la termodinmica. Definir exerga, que es el
trabajo til mximo que se puede obtener del sistema en determinado
estado, en un ambiente especificado. Definir trabajo reversible,
que es el trabajo til mximo que se puede obtener cuando un sistema
pasa por un proceso entre dos estados especificados. Definir la
destruccin de exerga, que es el potencial trabajo desperdiciado
durante un proceso, como resultado de irreversibilidades. Definir
la eficiencia de la segunda ley. Desarrollar la ecuacin de balance
de exerga.. Aplicar el balance de exerga a sistemas cerrados y
volmenes de control.
25. Visita guiada | xxxi Cada captulo contiene problemas de
ejemplo resueltos, del mundo real. Los autores usan un mtodo
consistente para resolver problemas y al mismo tiempo conservan su
estilo de conversacin informal. EJEMPLO 2-13 Costo anual de la
iluminacin de un saln de clases Para iluminar un saln de clases se
utilizan 30 lmparas fluorescentes, cada una con un consumo de 80 W
de electricidad (Fig. 2.50). Las luces se man- tienen encendidas
durante 12 horas al da y 250 das por ao. Para un costo de
electricidad de 7 centavos por kWh, determine el costo anual de
energa y explique los efectos que la iluminacin tendr sobre la
calefaccin y el siste- ma de aire acondicionado del saln de clases.
Solucin Se piensa iluminar un saln de clases mediante lmparas
fluores- centes. Se determinar el costo anual de la electricidad
para iluminacin y se analizar el efecto que sta tendr en la
calefaccin y en el sistema de aire acondicionado. Suposiciones El
efecto de las fluctuaciones de voltaje es insignificante por- que
cada lmpara fluorescente consume su potencia nominal. Anlisis La
potencia elctrica que consumen las lmparas cuando todas es- tn
encendidas y el nmero de horas por ao que as se mantienen se
expresa Potencia de iluminacin (potencia que consume la lmpara)
(nmero de lmparas) (80 W/lmpara)(30 lmparas) 2 400 W 2.4 kW Horas
de operacin (12 h/da)(250 das/ao) 3 000 h/ao Entonces la cantidad y
el costo de la electricidad usada por ao es Energa de iluminacin
(potencia de iluminacin)(horas de operacin) (2.4 kW)(3 000 h/ao) 7
200 kWh/ao Costo de iluminacin (energa de iluminacin)(costo
unitario) (7 200 kWh/ao)($0.07/kWh) $504/ao Las superficies
absorben la luz que incide en ellas y sta se convierte en ener- ga
trmica. Si se ignora la luz que escapa por las ventanas, los 2.4 kW
de po- tencia elctrica que consumen las lmparas en algn momento se
vuelven parte de la energa trmica del saln, por lo tanto el sistema
de iluminacin reduce los requerimientos de calefaccin en 2.4 kW,
pero incrementa la carga del sistema de aire acondicionado en 2.4
kW. Explicacin El costo de iluminacin para el saln de clases es
mayor a $500, lo que demuestra la importancia de las medidas de
conservacin de energa. Si se emplearan bombillas elctricas
incandescentes, los costos de iluminacin se cuadruplicaran, ya que
este tipo de lmparas usan cuatro veces ms potencia para producir la
misma cantidad de luz. 600 kPa 50C 0C vapor sat. R-134a COMPRESOR
FIGURA P7-131 7-131 El compresor adiabtico de un sistema de
refrigera- cin comprime vapor saturado de R-134a a 0C a 600 kPa y
50C. Cul es la eficiencia isentrpica de este compresor? Nuestro
texto contiene casi 3.000 problemas de tarea, de los cuales 700 son
nuevos en esta edicin. Los problemas de fin de captulo se agrupan
en temas especficos para facilitar a profesores y alumnos su
seleccin. Las respuestas a problemas seleccionados aparecen
inmediatamente despus del problema, para comodidad de los
alumnos.
26. Visita guiada xxxii | SUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE PARA EL
ESTUDIANTE DVD DE RECURSOS PARA EL ESTUDIANTE (Incluido sin costo
en cada libro) Los siguientes recursos se encuentran disponibles en
el DVD de recursos para el estudiante: Experimentos Fsicos de
Termodinmica. El profesor Ronald Mullisen, del departamento de
ingeniera mecnica de la California Polytechnic State University, en
San Luis Obispo, desarroll nueve experimentos fsicos de
termodinmica. stos ilustran directamente las propiedades, los
procesos y las leyes. Adems de estar totalmente integrados al texto
a travs del uso de conos al margen, as como fotografas y problemas
de tarea al final de cada captulo. Los experimentos fsicos de
termodinmica contienen: Videos (~5 minutos) que examinan y
describen cada experimento (con audio). Descripciones (~10 pginas)
que ofrecen un pano- rama de los experimentos fsicos de la
termodin- mica y que desarrollan el objetivo, la introduccin, los
antecedentes histricos, el anlisis, el material que se necesitar y
las notaciones. Datos (archivo en Excel de una pgina) que permiten
a los estudiantes reducir los datos y obtener resultados.
Respuestas (disponibles en el sitio de Internet con contrasea de
proteccin para uso exclusivo de los profesores). En cada
experimento, los resultados finales se compa- ran con la informacin
publicada. Muchos de los expe- rimentos proporcionan resultados que
se encuentran dentro del 10 por ciento o un poco ms con respecto a
los valores publicados. EXPERIMENTO
27. Gua interactiva de termodinmica. El profesor Ed Anderson
del departamento de inge- niera mecnica de Texas Tech University
cre una gua interactiva de termodinmica actualizada que est muy
relacionada con el texto mediante conos situados al margen del
mismo, indicando los puntos de la gua a los que los estudiantes
puede remitirse para estudiar con mayor profundidad los temas dif-
ciles como entropa y la segunda ley de la termodi- nmica. sta es
una excelente ayuda para que los estudiantes refuercen su
aprendizaje acerca de los conceptos termodinmicos. Engineering
Equation Solver El EES es un poderoso resolvedor de ecuaciones con
funciones y tablas de propiedades integradas para las propiedades
de transporte y termodinmicas, as co- mo con la capacidad de
verificar de manera autom- tica las unidades. Requiere de menos
tiempo que la calculadora para ingresar datos permitiendo as que se
cuente con ms tiempo para el razonamiento crti- co del modelado y
la resolucin de los problemas de ingeniera. Busque los conos EES en
las secciones de tarea del texto. | xxxiii Visita guiadaSUPLEMENTOS
DE APRENDIZAJE PARA EL ESTUDIANTE
28. | 1 Toda ciencia posee un vocabulario nico y la termodin-
mica no es la excepcin. La definicin precisa de con- ceptos bsicos
constituye una base slida para el desa- rrollo de una ciencia y
evita posibles malas interpretaciones. Este captulo inicia con un
repaso de la termodinmica y los sistemas de unidades y contina con
la explicacin de algunos conceptos bsicos, como sistema, estado,
postulado de esta- do, equilibrio y proceso. Tambin se analizan los
trminos temperatura y escalas de temperatura con especial nfasis en
la Escala Internacional de Temperatura de 1990. Posterior- mente se
presenta presin, definida como la fuerza normal que ejerce un
fluido por unidad de rea, y se analizan las pre- siones absoluta y
manomtrica, la variacin de la presin con la profundidad y los
instrumentos de medicin de presin, co- mo manmetros y barmetros. El
estudio cuidadoso de estos conceptos es esencial para lograr una
buena comprensin de los temas tratados en este libro. Por ltimo, se
presenta una tcnica para resolver problemas, intuitiva y
sistemtica, que se puede usar como modelo en la solucin de
problemas de inge- niera. Objetivos En el captulo 1, los objetivos
son: Identificar el vocabulario especfico relacionado con la ter-
modinmica por medio de la definicin precisa de concep- tos bsicos
con la finalidad de formar una base slida para el desarrollo de los
principios de la termodinmica. Revisar los sistemas de unidades SI
mtrico e ingls que se utilizarn en todo el libro. Explicar los
conceptos bsicos de la termodinmica, como sistema, estado,
postulado de estado, equilibrio, proceso y ciclo. Revisar los
conceptos de temperatura, escalas de tempera- tura, presin y
presiones absoluta y manomtrica. Introducir una tcnica intuitiva y
sistemtica para resolver problemas. Captulo 1 INTRODUCCIN Y
CONCEPTOS BSICOS
29. 2 | Introduccin y conceptos bsicos 1-1 TERMODINMICA Y
ENERGA La termodinmica se puede definir como la ciencia de la
energa. Aunque to- do mundo tiene idea de lo que es la energa, es
difcil definirla de forma pre- cisa. La energa se puede considerar
como la capacidad para causar cambios. El trmino termodinmica
proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza),
lo cual corresponde a lo ms descriptivo de los primeros es- fuerzos
por convertir el calor en energa. En la actualidad, el concepto se
in- terpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energa y
sus transfor- maciones, incluida la generacin de potencia, la
refrigeracin y las relaciones entre las propiedades de la materia.
Una de las ms importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es
el principio de conservacin de la energa. ste expresa que durante
una in- teraccin, la energa puede cambiar de una forma a otra pero
su cantidad to- tal permanece constante. Es decir, la energa no se
crea ni se destruye. Una roca que cae de un acantilado, por
ejemplo, adquiere velocidad como resul- tado de su energa potencial
convertida en energa cintica (Fig. 1-1). El principio de
conservacin de la energa tambin estructura la industria de las
dietas: una persona que tiene un mayor consumo energtico
(alimentos) res- pecto a su gasto de energa (ejercicio) aumentar de
peso (almacena energa en forma de grasa), mientras otra persona con
una ingestin menor respecto a su gasto energtico perder peso (Fig.
1-2). El cambio en el contenido energtico de un cuerpo o de
cualquier otro sistema es igual a la diferencia entre la entrada y
la salida de energa, y el balance de sta se expresa como Eentrada
Esalida E. La primera ley de la termodinmica es simplemente una
expresin del principio de conservacin de la energa, y sostiene que
la energa es una pro- piedad termodinmica. La segunda ley de la
termodinmica afirma que la energa tiene calidad as como cantidad, y
los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la
energa. Por ejemplo, una taza de caf ca- liente sobre una mesa en
algn momento se enfra, pero una taza de caf fro en el mismo espacio
nunca se calienta por s misma (Fig. 1-3). La energa de alta
temperatura del caf se degrada (se transforma en una forma menos
til a otra con menor temperatura) una vez que se transfiere hacia
el aire circun- dante. Aunque los principios de la termodinmica han
existido desde la crea- cin del universo, esta ciencia surgi como
tal hasta que Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712
construyeron en Inglaterra las pri- meras mquinas de vapor
atmosfricas exitosas, las cuales eran muy len- tas e ineficientes,
pero abrieron el camino para el desarrollo de una nueva ciencia. La
primera y la segunda leyes de la termodinmica surgieron de forma
si- multnea a partir del ao de 1850, principalmente de los trabajos
de William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin (antes William
Thomson). El tr- mino termodinmica se us primero en una publicacin
de Lord Kelvin en 1849; y por su parte, William Rankine, profesor
en la universidad de Glas- gow, escribi en 1859 el primer texto
sobre el tema. Se sabe bien que una sustancia est constituida por
un gran nmero de partculas llamadas molculas, y que las propiedades
de dicha sustancia de- penden, por supuesto, del comportamiento de
estas partculas. Por ejemplo, la presin de un gas en un recipiente
es el resultado de la transferencia de cantidad de movimiento entre
las molculas y las paredes del recipiente. Sin embargo, no es
necesario conocer el comportamiento de las partculas de gas para
determinar la presin en el recipiente, bastara con colocarle Energa
potencial Energa cintica EP = 10 unidades EC = 0 EP = 7 unidades EC
= 3 unidades FIGURA 1-1 La energa no se crea ni se destruye; slo se
transforma (primera ley). Salida de energa (4 unidades) Entrada de
energa (5 unidades) Almacenaje de energa (1 unidad) FIGURA 1-2
Principio de conservacin de la energa para el cuerpo humano. VASE
TUTORIAL CAP. 1, SECC. 1, EN EL DVD. TUTORIAL INTERACTIVO
30. Captulo 1 | 3 un medidor de presin al recipiente. Este
enfoque macroscpico al estudio de la termodinmica que no requiere
conocer el comportamiento de cada una de las partculas se llama
termodinmica clsica, y proporciona un modo directo y fcil para la
solucin de problemas de ingeniera. Un enfoque ms elaborado, basado
en el comportamiento promedio de grupos grandes de partculas
individuales, es el de la termodinmica estadstica. Este enfo- que
microscpico es bastante complicado y en este libro slo se usa como
apoyo. reas de aplicacin de la termodinmica En la naturaleza, todas
las actividades tienen que ver con cierta interaccin en- tre la
energa y la materia; por consiguiente, es difcil imaginar un rea
que no se relacione de alguna manera con la termodinmica. Por lo
tanto, desarrollar una buena comprensin de los principios bsicos de
esta ciencia ha sido duran- te mucho tiempo parte esencial de la
educacin en ingeniera. Comnmente la termodinmica se encuentra en
muchos sistemas de inge- niera y otros aspectos de la vida y no es
necesario ir muy lejos para compro- bar esto. Por ejemplo, el
corazn bombea sangre en forma constante a todo nuestro cuerpo,
diferentes conversiones de energa ocurren en trillones de c- lulas
y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el
am- biente. El confort humano tiene estrecha relacin con la tasa de
esta emisin de calor metablico. Se intenta controlar esta
transferencia de calor ajustando la ropa a las condiciones
ambientales. Existen otras aplicaciones de la termodinmica en el
lugar que se habi- ta. Una casa ordinaria es, en algunos aspectos,
una sala de exhibicin de maravillas producto de la termodinmica
(Fig. 1-4). Muchos utensilios do- msticos y aplicaciones estn
diseados, completamente o en parte, me- diante los principios de la
termodinmica. Algunos ejemplos son la estufa elctrica o de gas, los
sistemas de calefaccin y aire acondicionado, el refri- gerador, el
humidificador, la olla de presin, el calentador de agua, la rega-
dera, la plancha e incluso la computadora y el aparato de
televisin. En una escala mayor, la termodinmica desempea una parte
importante en el dise- o y anlisis de motores automotrices,
cohetes, motores de avin, plantas de energa convencionales o
nucleares, colectores solares, y en el diseo de todo tipo de
vehculos desde automviles hasta aeroplanos (Fig. 1-5). Los hogares
que usan eficazmente la energa se disean con base en la re- duccin
de prdida de calor en invierno y ganancia de calor en verano. El
tamao, la ubicacin y entrada de potencia del ventilador de su
computado- ra tambin se selecciona tras un estudio en el que
interviene la termodin- mica. 1-2 IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y
UNIDADES Cualquier cantidad fsica se caracteriza mediante
dimensiones. Las magnitu- des asignadas a las dimensiones se llaman
unidades. Algunas dimensiones bsicas, como masa m, longitud L,
tiempo t y temperatura T se seleccionan como dimensiones primarias
o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energa E y
volumen V se expresan en trminos de las dimen- siones primarias y
se llaman dimensiones secundarias o dimensiones deri- vadas. Calor
Ambiente fro 20C Caf caliente 70C FIGURA 1-3 El calor fluye en
direccin de la temperatura decreciente. Colectores solares Agua
caliente Intercambiador de calor Bomba Regadera Agua fra Depsito de
agua caliente FIGURA 1-4 El diseo de muchos sistemas de ingeniera,
como este sistema solar para calentar agua, tiene que ver con la
termodinmica. VASE TUTORIAL CAP. 1, SECC. 2, EN EL DVD. TUTORIAL
INTERACTIVO
31. 4 | Introduccin y conceptos bsicos Con el paso de los aos
se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes
esfuerzos que la comunidad cientfica y los ingenieros han he- cho
para unificar el mundo con un solo sistema de unidades, en la
actualidad an son de uso comn dos de stos: el sistema ingls, que se
conoce como United States Customary System (USCS) y el SI mtrico
(de Le Systme In- ternational d Units), tambin llamado sistema
internacional. El SI es un sis- tema simple y lgico basado en una
relacin decimal entre las distintas uni- dades, y se usa para
trabajo cientfico y de ingeniera en la mayor parte de las naciones
industrializadas, incluso en Inglaterra. Sin embargo, el sistema
in- gls no tiene base numrica sistemtica evidente y varias unidades
de este sistema se relacionan entre s de manera bastante arbitraria
(12 pulgadas 1 pie, 1 milla 5 280 pies, 4 cuartos 1 galn, etc.), lo
cual hace que el aprendizaje sea confuso y difcil. Estados Unidos
es el nico pas industriali- zado que an no adopta por completo el
sistema mtrico. Los esfuerzos sistemticos para desarrollar un
sistema de unidades univer- sal aceptable datan de 1790 cuando la
Asamblea Nacional Francesa encarg a la academia francesa de
ciencias que sugiriera dicho sistema de unidades. Pronto se elabor
en Francia una primera versin del sistema mtrico, pero no encontr
aceptacin universal hasta 1875 cuando 17 pases, incluido Esta- dos
Unidos, prepararon y firmaron el Tratado de Convencin Mtrica. En
es- FIGURA 1-5 Algunas reas de aplicacin de la termodinmica. Unidad
de aire acondicionado, refrigerador, radiador, The McGraw-Hill
Companies, Inc./Jill Braaten, fotgrafo; avin: Vol. 14/PhotoDisc;
humanos: Vol. 121/PhotoDisc; planta de energa: Corbis Royalty Free.
Cuerpo humano Sistemas de acondicionamiento de aire Aviones
Radiadores de automviles Plantas de energa Sistemas de
refrigeracin
32. Captulo 1 | 5 te acuerdo internacional se establecieron
metro y gramo como las unidades mtricas para longitud y masa,
respectivamente, adems de establecerse que una Conferencia General
de Pesos y Medidas (CGPM) se reuniera cada seis aos. En 1960, la
CGPM produjo el SI, el cual se basa en seis cantidades fun-
damentales, cuyas unidades se adoptaron en 1954 en la Dcima
Conferencia General de Pesos y Medidas: metro (m) para longitud,
kilogramo (kg) para masa, segundo (s) para tiempo, ampere (A) para
corriente elctrica, grado Kelvin (K) para temperatura y candela
(cd) para intensidad luminosa (canti- dad de luz). En 1971, la CGPM
aadi una sptima cantidad fundamental y unidad: mol (mol) para la
cantidad de materia. Con base en el esquema de notacin introducido
en 1967, el smbolo de grado se elimin en forma oficial de la unidad
de temperatura absoluta, y to- dos los nombres de unidades se
escribiran con minscula incluso si se deri- vaban de nombres
propios (tabla 1-1). Sin embargo, la abreviatura de una unidad se
escribira con mayscula si la unidad provena de un nombre pro- pio.
Por ejemplo, la unidad SI de fuerza, nombrada en honor a Sir Isaac
New- ton (1647-1723), es el newton (no Newton), y se abrevia como
N. Asimismo, es posible pluralizar el nombre completo de una
unidad, no as su abreviatu- ra. Por ejemplo, la longitud de un
objeto puede ser 5 m o 5 metros, no 5 ms o 5 metro. Por ltimo, no
se usar punto en abreviaturas de unidades a menos que aparezcan al
final de un enunciado. Por ejemplo, la abreviatura apropiada de
metro es m (no m.). En Estados Unidos, el reciente cambio hacia el
sistema mtrico empez en 1968 cuando el Congreso, en respuesta a lo
que estaba sucediendo en el res- to del mundo, aprob un Decreto de
estudio mtrico. El Congreso continu con este impulso hacia un
cambio voluntario al sistema mtrico al aprobar el Decreto de
conversin mtrica en 1975. Una ley comercial aprobada en 1988 fij el
mes de septiembre de 1992 como plazo para que todas las agen- cias
federales pasaran al sistema mtrico. Sin embargo, los plazos se
relaja- ron sin establecer planes claros para el futuro. Las
industrias con una participacin intensa en el comercio
internacional (co- mo la automotriz, la de bebidas carbonatadas y
la de licores) se han apresurado en pasar al sistema mtrico por
razones econmicas (tener un solo diseo mun- dial, menos tamaos e
inventarios ms pequeos, etc.). En la actualidad, casi todos los
automviles fabricados en Estados Unidos obedecen al sistema mtri-
co. Es probable que la mayor parte de los dueos de automviles no se
perca- ten sino hasta que utilicen una llave con medida en pulgadas
sobre un tornillo mtrico. No obstante, la mayor parte de las
industrias se resisten al cambio, lo cual retrasa el proceso de
conversin. En la actualidad, Estados Unidos es una sociedad con
doble sistema y per- manecer as hasta que se complete la transicin
al sistema mtrico. Esto agrega una carga extra a los actuales
estudiantes de ingeniera, puesto que se espera que retengan su
comprensin del sistema ingls mientras aprenden, piensan y trabajan
en trminos del SI. Dada la posicin de los ingenieros en el periodo
de transicin, en este libro se usan ambos sistemas de unidades, con
especial nfasis en las unidades SI. Como se seal, el SI se basa en
una relacin decimal entre unidades. Los prefijos usados para
expresar los mltiplos de las distintas unidades se enu- meran en la
tabla 1-2, se usan como estndar para todas stas y se alienta al
estudiante a memorizarlos debido a su uso extendido (Fig. 1-6).
TABLA 1-1 Las siete dimensiones fundamentales (o primarias) y sus
unidades en el SI Dimensin Unidad Longitud metro (m) Masa kilogramo
(kg) Tiempo segundo (s) Temperatura kelvin (K) Corriente elctrica
ampere (A) Cantidad luminosa candela (cd) Cantidad de materia mol
(mol) TABLA 1-2 Prefijos estndar en unidades SI Mltiplos Prefijo
1012 tera, T 109 giga, G 106 mega, M 103 kilo, k 102 hecto, h 101
deca, da 101 deci, d 102 centi, c 103 mili, m 106 micro, m 109
nano, n 1012 pico, p
33. 6 | Introduccin y conceptos bsicos Algunas unidades SI e
inglesas En el SI, las unidades de masa, longitud y tiempo son
kilogramo (kg), me- tro (m) y segundo (s), respectivamente. Las
unidades correspondientes en el sistema ingls son libra-masa (lbm),
pie (ft) y segundo (s). El smbolo de li- bra lb es en realidad la
abreviatura de libra, la cual era en la antigua Roma la unidad para
peso. El sistema ingls mantuvo este smbolo incluso des- pus de
haber finalizado la ocupacin romana de Bretaa en el ao 410. Las
unidades de masa y longitud en los dos sistemas se relacionan entre
s mediante En el sistema ingls, la fuerza es considerada comnmente
como una de las dimensiones primarias y se le asigna una unidad no
derivada. Esto es una fuente de confusin y error que requiere el
uso de una constante dimensional (gc) en muchas frmulas. Para
evitar esta molestia, se considera a la fuerza como una dimensin
secundaria cuya unidad se deriva de la segunda ley de Newton, es
decir, Fuerza (masa)(aceleracin) o (1-1) En el SI, la unidad de
fuerza es el newton (N), y se define como la fuerza re- querida
para acelerar una masa de 1 kg a razn de 1 m/s2. En el sistema in-
gls, la unidad de fuerza es la libra-fuerza (lbf) y se define como
la fuerza requerida para acelerar una masa de 32.174 lbm (1 slug) a
razn de 1 ft/s2 (Fig. 1-7). Es decir, Una fuerza de 1 N equivale
aproximadamente al peso de una manzana pe- quea (m 102 g), mientras
que una fuerza de 1 lbf es equivalente a ms o menos el peso de
cuatro manzanas medianas (mtotal 454 g), como se ilustra en la
figura 1-8. Otra unidad de fuerza de uso comn en muchos pases euro-
peos es el kilogramo-fuerza (kgf), que es el peso de 1 kg de masa
al nivel del mar (1 kgf 9.807 N). El trmino peso con frecuencia se
usa de modo incorrecto para expresar masa, en particular por los
weight watchers. A diferencia de la masa, el pe- so W es una
fuerza: la fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo, y su magni-
tud se determina a partir de la segunda ley de Newton, (1-2) 200 mL
(0.2 L) 1 kg (103 g) 1 M (106 ) FIGURA 1-6 Los prefijos de las
unidades SI se usan en todas las ramas de la ingeniera. m = 1 kg m
= 32.174 lbm a = 1 m/s2 a = 1 ft/s2 F = 1 lbf F = 1 N FIGURA 1-7
Definicin de unidades de fuerza. 10 manzanas m = 1 kg 4 manzanas m
= 1 lbm1 manzana m = 102 g 1 kgf 1 lbf 1 N FIGURA 1-8 Magnitudes
relativas de las unidades de fuerza newton (N), kilogramo- fuerza
(kgf) y libra fuerza (lbf). W mg 1N2 1 lbf 32.174 lbm # ft>s2 1
N 1 kg # m>s2 F ma 1 ft 0.3048 m 1 lbm 0.45359 kg
34. Captulo 1 | 7 donde m es la masa del cuerpo y g es la
aceleracin gravitacional local (g es 9.807 m/s2 o 32.174 ft/s2 al
nivel del mar y latitud 45). Una bscula de bao ordinaria mide la
fuerza gravitacional que acta sobre un cuerpo. El peso del volumen
unitario de una sustancia se llama peso especfico g y se determina
a partir de g rg, donde r es la densidad. La masa de un cuerpo es
la misma sin importar su ubicacin en el univer- so; sin embargo, su
peso se modifica con un cambio en la aceleracin gravita- cional. Un
cuerpo pesa menos en la cima de una montaa puesto que g dismi- nuye
con la altitud. En la superficie de la Luna, una astronauta pesa
alrededor de un sexto de lo que pesa en la Tierra (Fig. 1-9). Al
nivel del mar una masa de 1 kg pesa 9.807 N, como se ilustra en la
fi- gura 1-10; no obstante, una masa de 1 lbm pesa 1 lbf, lo que
lleva a las per- sonas a creer que libra-masa y libra-fuerza se
pueden usar de forma indistin- ta como libra (lb), lo cual es uno
de los principales errores en el sistema ingls. Se debe observar
que la fuerza de gravedad que acta sobre una masa se debe a la
atraccin entre las masas y, por lo tanto, es proporcional a las
mag- nitudes de las masas e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia entre ellas. Por consiguiente, la aceleracin
gravitacional g en un lugar de- pende de la densidad local de la
corteza terrestre, la distancia al centro de la Tierra y, en un
menor grado, de las posiciones de la Luna y el Sol. El valor de g
vara con la ubicacin desde 9.8295 m/s2 a 4 500 m debajo del nivel
del mar hasta 7.3218 m/s2 a 100 000 m arriba del nivel del mar. Sin
embargo, a altitudes de hasta 30 000 m, la variacin de g del valor
a nivel del mar de 9.807 m/s2 es menor a 1 por ciento. Entonces,
para la mayor parte de los pro- psitos prcticos, la aceleracin
gravitacional se supone como constante en 9.81 m/s2. Es interesante
notar que en lugares situados abajo del nivel del mar el valor de g
se incrementa con la distanc