Termodinamica - 7ma Edición -Yunus A. Cengel & Michael A. Bole PDF

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Factores de conversión DIMENSIÓN

MÉTRICO

MÉTRICO/INGLÉS

Aceleración

1 m/s2 ⫽ 100 cm/s2

1 m/s2 ⫽ 3.2808 ft/s2 1 ft/s2 ⫽ 0.3048* m/s2

Área

1 m2 ⫽ 104 cm2 ⫽ 106 mm2 ⫽ 10⫺6 km2

1 m2 ⫽ 1 550 in2 ⫽ 10.764 ft2 1 ft2 ⫽ 144 in2 ⫽ 0.09290304* m2

Densidad

1 g/cm3 ⫽ 1 kg/L ⫽ 1 000 kg/m3

1 g/cm3 ⫽ 62.428 lbm/ft3 ⫽ 0.036127 lbm/in3 1 lbm/in3 ⫽ 1 728 lbm/ft3 1 kg/m3 ⫽ 0.062428 lbm/ft3

Energía, calor, trabajo, energía interna, entalpía

1 1 1 1 1 1

Fuerza

1 N ⫽ 1 kg · m/s2 ⫽ 105 dina 1 kgf ⫽ 9.80665 N

1 N ⫽ 0.22481 lbf 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

kJ ⫽ 1 000 J ⫽ 1 000 N · m ⫽ 1 kPa · m3 kJ/kg ⫽ 1 000 m2/s2 kWh ⫽ 3 600 kJ cal† ⫽ 4.184 J IT cal† ⫽ 4.1868 J Cal† ⫽ 4.1868 kJ

W/m2

· °C ⫽ 1

W/m2

·K

1 kJ ⫽ 0.94782 Btu 1 Btu ⫽ 1.055056 kJ ⫽ 5.40395 psia · ft3 ⫽ 778.169 lbf · ft 1 Btu/lbm ⫽ 25 037 ft2/s2 ⫽ 2.326* kJ/kg 1 kJ/kg ⫽ 0.430 Btu/lbm 1 kWh ⫽ 3 412.14 Btu 1 termia ⫽ 105 Btu ⫽ 1.055 ⫻ 105 kJ (gas natural)

1 W/m2 · °C ⫽ 0.17612 Btu/h · ft2 · °F

Coeficiente de transferencia de calor

1

Longitud

1 m ⫽ 100 cm ⫽ 1 000 mm ⫽ 106 mm 1 km ⫽ 1 000 m

1 1 1 1

m ⫽ 39.370 in ⫽ 3.2808 ft ⫽ 1.0926 yd ft ⫽ 12 in ⫽ 0.3048* m milla ⫽ 5 280 ft ⫽ 1.6093 km in ⫽ 2.54* cm

Masa

1 kg ⫽ 1 000 g 1 tonelada métrica ⫽ 1 000 kg

1 1 1 1 1

kg ⫽ 2.2046226 lbm lbm ⫽ 0.45359237* kg onza ⫽ 28.3495 g slug ⫽ 32.174 lbm ⫽ 14.5939 kg ton corta ⫽ 2 000 lbm ⫽ 907.1847 kg

Potencia, velocidad de transferencia de calor

1 W ⫽ 1 J/s 1 kW ⫽ 1 000 W ⫽ 1.341 hp 1 hp‡ ⫽ 745.7 W

1 kW ⫽ 3 412.14 Btu/h ⫽ 737.56 lbf · ft/s 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 refrigeración ⫽ 200 Btu/min

Presión

1 Pa ⫽ 1 N/m2 1 kPa ⫽ 103 Pa ⫽ 10⫺3 MPa 1 atm ⫽ 101.325 kPa ⫽ 1.01325 bars ⫽ 760 mm Hg a 0°C ⫽ 1.03323 kgf/cm2 1 mm Hg ⫽ 0.1333 kPa

1 Pa ⫽ 1.4504 ⫻ 10⫺4 psia ⫽ 0.020886 lbf/ft2 1 psi ⫽ 144 lbf/ft2 ⫽ 6.894757 kPa 1 atm ⫽ 14.696 psia ⫽ 29.92 in Hg a 30°F 1 in Hg ⫽ 3.387 kPa

Calor específico

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 conversión exactos entre las unidades métricas e inglesas. †La

caloría se define originalmente como la cantidad de calor requerida para aumentar 1ºC la temperatura de 1 g de agua, pero ésta varía con la temperatura. La caloría de la tabla de vapor internacional (IT), generalmente preferida por los ingenieros, es exactamente 4.1868 J por definición y corresponde al calor específico del agua a 15ºC. La caloría termoquímica, por lo general preferida por los físicos, es exactamente 4.184 J por definición y corresponde al calor específico del agua a temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es aproximadamente 0.06 por ciento, lo cual es despreciable. La Caloría con inicial mayúscula utilizada por los nutriólogos en realidad es una kilocaloría (1 000 calorías IT).

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DIMENSIÓN

MÉTRICO

MÉTRICO/INGLÉS

Volumen específico

1 m3/kg ⫽ 1 000 L/kg ⫽ 1 000 cm3/g

1 m3/kg ⫽ 16.02 ft3/lbm 1 ft3/lbm ⫽ 0.062428 m3/kg

Temperatura

T(K) ⫽ T(°C) ⫹ 273.15 ⌬T(K) ⫽ ⌬T(°C)

T(R) ⫽ T(°F) ⫹ 459.67 ⫽ 1.8T(K) T(°F) ⫽ 1.8 T(°C) ⫹ 32 ⌬T(°F) ⫽ ⌬T(R) ⫽ 1.8 ⌬T(K)

Conductividad térmica

1 W/m · °C ⫽ 1 W/m · K

1 W/m · °C ⫽ 0.57782 Btu/h · ft · °F

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 ⫽ 1 000 L ⫽ 106 cm3 (cc)

1 m3 ⫽ 6.1024 ⫻ 104 in3 ⫽ 35.315 ft3 ⫽ 264.17 gal (U.S.) 1 U.S. galón ⫽ 231 in3 ⫽ 3.7854 L 1 fl onza ⫽ 29.5735 cm3 ⫽ 0.0295735 L 1 U.S. galón ⫽ 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 ⫽ 2 118.9 ft3/min (cfm)

Tasa de flujo volumétrico ‡Caballo

de fuerza mecánico. El caballo de vapor eléctrico se toma para que sea exactamente igual a 746 W.

Algunas constantes físicas 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 ⫽ 1 545.37 ft · lbf/lbmol · R ⫽ 10.73 psia · ft3/lbmol · R

Aceleración de la gravedad estándar

g ⫽ 9.80665 m/s2 ⫽ 32.174 ft/s2

Presión atmosférica estándar

1 atm ⫽ 101.325 kPa ⫽ 1.01325 bar ⫽ 14.696 psia ⫽ 760 mm Hg (0°C) ⫽ 29.9213 in Hg (32°F) ⫽ 10.3323 m H2O (4°C)

Constante de Stefan-Boltzmann

␴ ⫽ 5.6704 ⫻ 10⫺8 W/m2 · K4 ⫽ 0.1714 ⫻ 10⫺8 Btu/h · ft2 · R4

Constante de Boltzmann

k ⫽ 1.380650 ⫻ 10⫺23 J/K

Velocidad de la luz en el vacío Velocidad del sonido en aire seco a 0ºC y 1 atm

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co ⫽ 2.9979 ⫻ 108 m/s ⫽ 9.836 ⫻ 108 ft/s c ⫽ 331.36 m/s ⫽ 1089 ft/s

Calor de fusión del agua a 1 atm

hif ⫽ 333.7 kJ/kg ⫽ 143.5 Btu/lbm

Entalpía de vaporización del agua a 1 atm

hfg ⫽ 2 256.5 kJ/kg ⫽ 970.12 Btu/lbm

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TERMODINÁMICA

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TERMODINÁMICA S É P T IM A E DIC IÓN

YUNUS A. ÇENGEL University of Nevada, Reno

MICHAEL A. BOLES North Carolina State University Revisión técnica

Ignacio Apraiz Buesa EHU-Universidad del País Vasco, España

Máximo Cargnelutti

Javier León Cárdenas

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Querétaro, México

Universidad La Salle, México

Abraham L. Martínez Bautista

Guillermo Eduardo Mejía Hernández

Universidad Nacional Autónoma de México

Instituto Tecnológico de Querétaro, México

Covadonga Palencia Coto Universidad de León, España

Alejandro Rojas Tapia Universidad Nacional Autónoma de México

Armando Sansón Ortega Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey Campus Toluca, México

Olatz Ukar Arrien Universidad de Deusto, España

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA SAO PAULO • MADRID • NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO AUCKLAND • LONDRES • MILÁN • MONTREAL • NUEVA DELHI SAN FRANCISCO • SINGAPUR • SAN LUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director General México: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Virgilio González y Pozo(✝) / Sergio Sarmiento Ortega

TERMODINÁMICA Séptima edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS © 2012, 2009 respecto a la cuarta edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegación Álvaro Obregón C.P. 01376, México, D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736

ISBN 978-607-15-0743-3 ISBN 978-970-10-7286-8 (de la edición anterior)

Traducido de la séptima edición en inglés de: Thermodynamics. An Engineering Approach. Copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies, Inc. New York, N.Y., U.S.A. All rights reserved. ISBN 978-0-07-352932-5

1234567890

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Impreso en México

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Printed in Mexico

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La mente es como un paracaídas: trabaja sólo cuando está abierta. Anónimo

Las leyes de la naturaleza constituyen el gobierno invisible de la tierra. Alfred A. Montapert

La verdadera medida de un hombre es la forma en que trata a alguien que no puede hacerle absolutamente ningún bien. Samuel Johnson

La grandeza estriba no en ser fuerte, sino en el uso correcto de la fuerza. Henry W. Beecher

El hombre superior es modesto en su habla, pero se excede en sus acciones. Confucio

Trata de no ser un hombre de éxito, sino más bien un hombre de valor. Albert Einstein

Ignorar el mal es volverse su cómplice. Martin Luther King Jr.

El carácter, a la larga, es el factor decisivo en la vida tanto de un individuo como en la vida de las naciones. Theodore Roosevelt

Una persona que ve el bien en las cosas tiene buenos pensamientos. Y quien tiene buenos pensamientos, recibe placer de la vida. Said Nursi

Para mentes diferentes, la misma palabra es un infierno y un cielo. Ralph W. Emerson

Un líder es aquel que ve más de lo que ven los demás, que ve más lejos que lo que ven los demás, y que ve antes de que los demás vean. Leroy Eims

Nunca confundas el conocimiento con la sabiduría. Uno te ayuda a ganarte la vida; el otro te ayuda a construir una vida. Sandra Cary

Como una sola persona, no puedo cambiar el mundo, pero puedo cambiar el mundo de una persona. Paul S. Spear

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ACERCA DE LOS AUTORES

Yunus A. Çengel es profesor emérito de Ingeniería Mecánica en University of Nevada, en Reno. Obtuvo su licenciatura en ingeniería mecánica en Istanbul Technical University, y su maestría y doctorado en ingeniería mecánica en la North Carolina State University. Sus áreas de investigación son energías renovables, la desalación, el análisis de exergía y energía y la conservación. Fue director del Industrial Assessment Center de University of Nevada, de 1996 a 2000. Ha presidido grupos de estudiantes de ingeniería en numerosas instalaciones manufactureras del norte de Nevada y de California, donde hizo evaluaciones industriales, y preparó informes de conservación de energía, minimización de desperdicios y aumento de producción para esas empresas. El doctor Cengel es coautor de Mecánica de fluidos (segunda edición, 2012) y de Transferencia de calor y masa (cuarta edición, 2011), publicados en español por McGraw-Hill. Asimismo, ha escrito los títulos: Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences (tercera edición, 2008), Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer (segunda edición, 2008), Essentials of Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications (primera edición, 2008), también publicados por McGraw-Hill. Algunos de sus textos han sido traducidos, además de al español, al chino, japonés, coreano, tailandés, portugués, turco, italiano, griego y francés. Çengel recibió varios y notables premios a la enseñanza, así como el premio al Autor Distinguido que otorga ASEE Meriam/Wiley, en 1992, y en 2000, por su autoría 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 Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en North Carolina State University, donde obtuvo su doctorado en ingeniería mecánica, y fue nombrado Profesor Distinguido por los alumnos. El doctor Boles ha recibido numerosos premios y reconocimientos por su excelencia como profesor de ingeniería. Recibió el Premio Ralph R. Teetor de Educación, de la SAE, y dos veces fue electo para la Academia de Profesores Distinguidos de North Carolina State University. La sección estudiantil ASME de esa universidad lo ha reconocido en forma consistente como Profesor Notable del Año, y como el miembro docente con mayor impacto en los alumnos de ingeniería mecánica. Se especializa en transferencia de calor, e intervino en la solución analítica y numérica 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 recibió el Premio al Autor Distinguido de ASEE Meriam/Wiley, en 1992, por sus excelentes autorías.

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CONTENIDO BREVE CAPÍTULO 1 IN TRO DUC CIÓN Y CON CEP TOS BÁ SI COS

1

CAPÍTULO 2 ENER GÍA, TRANS FE REN CIA DE ENER GÍA Y ANÁ LI SIS GE NE RAL DE LA ENER GÍA CAPÍTULO 3 PRO PIE DA DES DE LAS SUS TAN CIAS PU RAS

111

CAPÍTULO 4 ANÁ LI SIS DE ENER GÍA DE SIS TE MAS CE RRA DOS

165

CAPÍTULO 5 ANÁ LI SIS DE MA SA Y ENER GÍA DE VO LÚ ME NES DE CON TROL CAPÍTULO 6 LA SE GUN DA LEY DE LA TER MO DI NÁ MI CA

51

219

279

CAPÍTULO 7 ENTROPÍA 331 CAPÍTULO 8 EXER GÍA: UNA ME DI DA DEL POTENCIAL DE TRA BA JO CAPÍTULO 9 CI CLOS DE PO TEN CIA DE GAS

491

CAPÍTULO 10 CI CLOS DE PO TEN CIA DE VA POR Y COM BI NA DOS CAPÍTULO 11 CI CLOS DE RE FRI GE RA CIÓN

559

615

CAPÍTULO 12 RE LA CIO NES DE PRO PIE DA DES TER MO DI NÁ MI CAS CAPÍTULO 13 MEZ CLA DE GA SES

427

667

699

CAPÍTULO 14 MEZ CLAS DE GAS-VA POR Y ACON DI CIO NA MIEN TO DE AI RE CAPÍTULO 15 REAC CIO NES QUÍ MI CAS

771

CAPÍTULO 16 EQUI LI BRIO QUÍ MI CO Y DE FA SE CAPÍTULO 17 FLU JO COM PRE SI BLE

737

815

847

APÉNDICE 1 TA BLAS DE PRO PIE DA DES, FI GU RAS Y DIA GRA MAS (UNI DA DES SI)

907

APÉNDICE 2 TA BLAS DE PRO PIE DA DES, FI GU RAS Y DIA GRA MAS (UNI DA DES IN GLE SAS)

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957

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CONTENIDO

Prefacio

xix

CAPÍTULO 2

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1-1

Termodinámica y energía

2

Áreas de aplicación de la termodinámica

1-2

3

9

1-3

Sistemas cerrados y abiertos

10

1-4

Propiedades de un sistema Continuo

Introducción

2-2

Formas de energía

2-3 2-4

Estado y equilibrio Postulado de estado

Procesos y ciclos

13

14

15 16

Temperatura y ley cero de la termodinámica 17

2-6

Presión

21

Variación de la presión con la profundidad

1-10

Manómetro

23

26

Otros dispositivos de medición de presión

Barómetro y presión atmosférica

29

1-12

Técnica para resolver problemas

33

Paso 1: enunciado del problema 33 Paso 2: esquema 33 Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34 Paso 4: leyes físicas 34 Paso 5: propiedades 34 Paso 6: cálculos 34 Paso 7: razonamiento, comprobación y análisis 34 Paquetes de software de ingeniería 35 Programa para resolver ecuaciones de ingeniería (Engineering Equation Solver, EES) 36 Observación acerca de los dígitos significativos 38

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39

2-7

62

65

Formas mecánicas del trabajo

66

La primera ley de la termodinámica

70

Eficiencia en la conversión de energía

78

Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 82

2-8

29

1-11

Resumen 39 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 40

Transferencia de energía por trabajo

Balance de energía 71 Cambio de energía de un sistema, ⌬Esistema 72 Mecanismos de transferencia de energía, Eentrada y Esalida 73

Escalas de temperatura 17 Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) 20

1-9

60

61

Trabajo de flecha 66 Trabajo de resorte 67 Trabajo hecho sobre barras sólidas elásticas 67 Trabajo relacionado con el estiramiento de una película líquida 68 Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68 Formas no mecánicas del trabajo 69

14

Proceso de flujo estacionario

Transferencia de energía por calor

Trabajo eléctrico

2-5

1-6

53

Antecedentes históricos sobre el calor

12

Densidad y densidad relativa

52

Algunas consideraciones físicas en relación con la energía interna 55 Más sobre energía nuclear 56 Energía mecánica 58

12

1-5

1-8

2-1

Importancia de las dimensiones y unidades 3 Algunas unidades SI e inglesas 6 Homogeneidad dimensional 8 Relaciones de conversión de unidades

1-7

1

ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y ANÁLISIS GENERAL DE ENERGÍA 51

Energía y ambiente

86

Ozono y esmog 87 Lluvia ácida 88 Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climático 89

Tema de interés especial: Mecanismos de transferencia de calor Resumen 96 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 98

92

97

CAPÍTULO 3 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 3-1

Sustancia pura

111

112

3/1/12 14:14:23

xiii

CONTENIDO

CONTENIDO

3-2

Fases de una sustancia pura

3-3

Procesos de cambio de fase en sustancias puras 113

112

Tema de interés especial: Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos 193

Líquido comprimido y líquido saturado 114 Vapor saturado y vapor sobrecalentado 114 Temperatura de saturación y presión de saturación 115 Algunas consecuencias de la dependencia de Tsat y Psat 117

3-4

Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase 118

Tablas de propiedades

3-6

Ecuación de estado de gas ideal ¿El vapor de agua es un gas ideal?

3-7

3-8

CAPÍTULO 5

121

5-1

127

5-2

137

Factor de compresibilidad, una medida de la desviación del comportamiento de gas ideal 139

226

Análisis de energía de sistemas de flujo estacionario 230

5-4

Algunos dispositivos de ingeniería de flujo estacionario 233

144

Resumen 153 Referencias y lecturas recomendadas Problemas 154

Trabajo de flujo y energía de un fluido en movimiento

5-3

1 2 3 4a 4b 5

Ecuación de estado de Van der Waals 144 Ecuación de estado de Beattie-Bridgeman 145 Ecuación de estado de Benedict-Webb-Rubin 145 Ecuación de estado virial 145

Tema de interés especial: Presión de vapor y equilibrio de fases

220

Energía total de ...