Termodinamica Yunus A. Cengel Michael A. Boles Sexta Edicion 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  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 ...

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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  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

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  1000 J  1000 N · m  1 kPa · m3 kJ/kg  1000 m2/s2 kWh  3600 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  3412.14 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  1000 mm  106 mm 1 km  1000 m

1 1 1 1

m  39.370 in  3.2808 ft  1.0926 yd ft  12 in  0.3048* m milla  5280 ft  1.6093 km in  2.54* cm

Masa

1 kg  1000 g 1 tonelada métrica  1000 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  2000 lbm  907.1847 kg

Potencia, velocidad de transferencia de calor

1 W  1 J/s 1 kW  1000 W  1.341 hp 1 hp‡  745.7 W

1 kW  3412.14 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  103 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  104 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 (1000 calorías IT).

DIMENSIÓN

MÉTRICO

MÉTRICO/INGLÉS

Volumen específico

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(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  1000 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

Tasa de flujo volumétrico

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 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       

Aceleración de la gravedad estándar

g  9.80665 m/s2  32.174 ft/s2

Presión atmosférica estándar

1 atm      

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 vacío

co  2.9979  108 m/s  9.836  108 ft/s

Velocidad del sonido en aire seco a 0ºC y 1 atm

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  2256.5 kJ/kg  970.12 Btu/lbm

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

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)

TERMODINÁMICA

TERMODINÁMICA SEXTA EDICIÓN

YUNUS A. ÇENGEL University of Nevada, Reno

MICHAEL A. BOLES North Carolina State University

Revisión técnica

Sofía Faddeeva Sknarina Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de México

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

Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayón Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editor sponsor: Pablo E. Roig Vázquez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Virgilio González y Pozo / Sergio M. Sarmiento

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

DERECHOS RESERVADOS © 2009 respecto a la sexta 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 978-970-10-7286-8 (ISBN 970-10-5611-6 edición anterior)

Traducido de la sexta edición 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 México

Printed in Mexico

No hay nada más horroroso que la ignorancia en acción. Goethe

La sociedad que desprecia la excelencia de la plomería por ser una actividad humilde y tolera la falsedad de la filosofía porque es una actividad excelsa, no poseerá una buena plomería ni una buena filosofía. Ni sus tuberías ni sus teorías conservarán el agua. John Gardner

La integridad sin conocimiento es débil e inútil, mientras que el conocimiento sin integridad es peligroso y horrible. Samuel Jackson

La preocupación por el hombre y su destino siempre debe ser el interés primordial de todo esfuerzo técnico. Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones. Albert Einstein

La semejanza mutua es origen de la contradicción; la congruencia es la base de la solidaridad; la pequeñez de carácter es la fuente de la arrogancia; la debilidad es la fuente del orgullo; la impotencia es el origen de la oposición, y la curiosidad es el maestro del conocimiento. Said Nursi

Todo el arte de la enseñanza está despertando la curiosidad natural de las mentes jóvenes. Anatole France

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

Nadie lo sabrá, excepto tú. Sin embargo, debes vivir contigo mismo y siempre es mejor vivir con alguien que respetes, ya que el respeto engendra confianza. Jerome Weidman

Un hábito es como un cable, tejemos un hilo de él todos los días y al final no podemos romperlo. Horace Mann

El genio es el uno por ciento inspiración y noventa y nueve por ciento transpiración. 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

ACERCA DE LOS AUTORES Yunus A. Çengel es Profesor Emérito de Ingeniería Mecánica en University of Nevada, 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, desalación, análisis de exergía y energía y 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 Çengel es coautor de Mecánica de fluidos y de Transferencia de calor y masa, ambos publicados por McGraw-Hill. Algunos de sus textos han sido traducidos al chino, japonés, coreano, español, portugués, turco, italiano y griego. Çengel recibió varios y notables premios a la enseñanza, así como el premio al Autor Distinguido que de ASEE Meriam/Wiley, en 1992, y de nuevo 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 nombramientos 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

Capítulo 11

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS | 1

CICLOS DE REFRIGERACIÓN | 617

Capítulo 2

Capítulo 12

ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y ANÁLISIS GENERAL DE LA ENERGÍA | 51

RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS | 663

Capítulo 3

Capítulo 13

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS | 111

MEZCLAS DE GASES | 695

Capítulo 14 Capítulo 4 ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS | 165

MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 731

Capítulo 15 Capítulo 5

REACCIONES QUÍMICAS | 767

ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) | 221

Capítulo 16

Capítulo 6 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA | 281

Capítulo 7

EQUILIBRIO QUÍMICO Y DE FASE | 811

Capítulo 17 FLUJO COMPRESIBLE | 843

ENTROPÍA | 333

Apéndice 1

Capítulo 8

TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 903

EXERGÍA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO | 429

Apéndice 2

Capítulo 9

TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) | 953

CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 493

Capítulo 10 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 561

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Contenido Prefacio xxi

Resumen 39 Referencias y lecturas recomendadas 39 Problemas 40

Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS | 1

Capítulo 2

1-1

ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y ANÁLISIS GENERAL DE ENERGÍA | 51

Termodinámica y energía 2 Áreas de aplicación de la termodinámica 3

1-2

Importancia de las dimensiones y unidades 3 Algunas unidades SI e inglesas 6 Homogeneidad dimensional 8 Relaciones de conversión de unidades 9

1-3

Sistemas cerrados y abiertos 10

1-4

Propiedades de un sistema 12

1-5

Densidad y densidad relativa 13

1-6

Estado y equilibrio 14

Continuo 12

2-1

Introducción 52

2-2

Formas de energía 53 Algunas consideraciones físicas en relación con la energía interna 55 Más sobre energía nuclear 56 Energía mecánica 58

2-3

Antecedentes históricos sobre el calor 61

2-4

Transferencia de energía por trabajo 62

2-5

Formas mecánicas del trabajo 66

Postulado de estado 14

1-7

Procesos y ciclos 15

Trabajo eléctrico 65

Proceso de flujo estacionario 16

1-8

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

Temperatura y ley cero de la termodinámica 17 Escalas de temperatura 17 Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) 20

1-9

Presión 21 Variación de la presión con la profundidad 23

1-10

Manómetro 26

1-11

Barómetro y presión atmosférica 29

1-12

Técnica para resolver problemas 33

2-6

La primera ley de la termodinámica 70 Balance de energía 71 Cambio de energía de un sistema, Esistema 72 Mecanismos de transferencia de energía, Eentrada y Esalida 73

Otros dispositivos de medición de presión 29

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

Transferencia de energía por calor 60

2-7

Eficiencia en la conversión de energía 78 Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 82

2-8

Energía y ambiente 86 Ozono y smog 87 Lluvia ácida 88 Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climático 89

Tema de interés especial. Mecanismos de transferencia de calor 92 Resumen 96 Referencias y lecturas recomendadas 97 Problemas 98

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xiii

xiv

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Contenido

Capítulo 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

4-3

Calores específicos 178

4-4

Energía interna, entalpía y calores específicos de gases ideales 180 Relaciones de calores específicos de gases ideales 182

4-5

Cambios de energía interna 189 Cambios de entalpía 189

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 1 Diagrama T-v 118 2 Diagrama P-v 120 Ampliación de los diagramas para incluir la fase sólida 121 3 Diagrama P-T 124 Superficie P-v-T 125

3-5

Tablas de propiedades 126 Entalpía: una propiedad de combinación 126 1a Estados de líquido saturado y de vapor saturado 127 1b Mezcla saturada de líquido-vapor 129 2 Vapor sobrecalentado 132 3 Líquido comprimido 133 Estado de referencia y valores de referencia 135

Energía interna, entalpía y calores específicos de sólidos y líquidos 189

Resumen 200 Referencias y lecturas recomendadas 201 Problemas 201

Capítulo 5 ANÁLISIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) | 221 5-1

Conservación de la masa 222 Flujos másico y volumétrico 222 Principio de conservación de la masa 224 Balance de masa para procesos de flujo estacionario 225 Caso especial: flujo incompresible 226

5-2

Trabajo de flujo y energía de un fluido en movimiento 228 Energía total de un fluido en movimiento 229 Energía transportada por la masa 230

3-6

Ecuación de estado de gas ideal 137 ¿El vapor de agua es un gas ideal? 139

5-3

3-7

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

Análisis de energía de sistemas de flujo estacionario 232

5-4

Algunos dispositivos de ingeniería de flujo estacionario 235

3-8

1 2 3 4a 4b 5

Otras ecuaciones de estado 144 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 149

5-5

Toberas y difusores 235 Turbinas y compresores 238 Válvulas de estrangulamiento 241 Cámaras de mezclado 242 Intercambiadores de calor 244 Flujo en tuberías y ductos 246

Análisis de procesos de flujo no estacionario 248 Tema de interés especial. Ecuación general de energía 254

Resumen 153 Referencias y lecturas recomendadas 154 Problemas 154

Resumen 257 Referencias y lecturas recomendadas 258 Problemas 258

Capítulo 4 ANÁLISIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS | 165

Capítulo 6

4-1

Trabajo de frontera móvil 166

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA | 281

4-2

Balance de energía para sistemas cerrados 173

Proceso politrópico 171

6-1

Introducción a la segunda ley 282

6-2

Dep...