Transferencia de Calor y Masa 4ta ed. - Yunus Cengel PDF

Title	Transferencia de Calor y Masa 4ta ed. - Yunus Cengel
Author	Alex Samoa
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Factores de conversión DIMENSIÓN

MÉTRICA

MÉTRICA/INGLESA

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 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

Rapidez de generación de calor

1 W/cm3 106 W/m3

1 W/m3 0.09665 Btu/h · ft3

Coeficiente de transferencia de calor

1 W/m2 · °C 1 W/m2 · K

1 W/m2 · °C 0.17612 Btu/h · ft2 · °F

Longitud

1 m 100 cm 1 000 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 tonelada corta 2 000 lbm 907.1847 kg

Potencia, rapidez de transferencia de calor

1 W 1 J/s 1 kW 1 000 W 1.341 hp

1 kW 3412.14 Btu/h 737.56 lbf · ft/s

1 hp‡ 745.7 W

1 hp 550 lbf · ft/s 0.7068 Btu/s 42.41 Btu/min 2 544.5 Btu/h 0.74570 kW 1 hp de caldera 33 475 Btu/h 1 Btu/h 1.055056 kJ/h 1 tonelada 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 mmHg a 0°C 1.03323 kgf/cm2 1 mmHg 0.1333 kPa

1 Pa 1.4504 104 psia 0.020886 lbf/ft2 1 psia 144 lbf/ft2 6.894757 kPa 1 atm 14.696 psia 29.92 inHg a 30°F 1 inHg 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

kJ 1 000 J 1 000 Nm 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

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 therm 105 Btu 1.055 105 kJ (gas natural)

* Factor de conversión exacto entre unidades métricas e inglesas. †

Originalmente, la caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C, pero varía con la presión. La caloría de la tabla internacional de vapor (IT) (preferida en general por los ingenieros) es, por definición, exactamente 4.1868 J y corresponde al calor específico del agua a 15°C. La caloría termodinámica (generalmente preferida por los físicos) es, por definición, exactamente igual a 4.184 J y corresponde al calor específico del agua a la temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es alrededor del 0.06%, lo cual es despreciable. La Caloría, con letra inicial mayúscula, que usan los especialistas en nutrición en realidad es una kilocaloría (1 000 calorias IT).

‡

Caballo de potencia mecánico. El caballo de potencia eléctrico se toma exactamente como 746 W.

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DIMENSIÓN

MÉTRICA

MÉTRICA/INGLESA

Volumen específico

1 m /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

Resistencia térmica

1°C/W 1 K/W

1 K/W 0.52750°F/h · Btu

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 1.609 km/h

Viscosidad dinámica

1 kg/m · s 1 N · s/m2 1 Pa · s 10 poise

1 kg/m · s 2 419.1 lbf/ft · h 0.020886 lbf · s/ft2 5.8016 106 lbf · h/ft2

Viscosidad cinemática

1 m2/s 104 cm2/s 1 stoke 1 cm2/s 104 m2/s 1 m3 1 000 L 106 cm3 (cc)

1 m2/s 10.764 ft2/s 3.875 104 ft2/h 1 m2/s 10.764 ft2/s 1 m3 6.1024 104 in3 35.315 ft3 264.17 gal (E.U.) 1 galón E.U. 231 in3 3.7854 L 1 onza fluida 29.5735 cm3 0.0295735 L 1 galón E.U. 128 onzas fluidas

Volumen

3

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 1 545.35 ft · lbf/lbmol · R 10.73 psia · ft3/lbmol · R

Aceleración estándar de la gravedad

g 9.80665 m/s2 32.174 ft/s2

Presión atmosférica estándar

1 atm 101.325 kPa 1.01325 bar 14.696 psia 760 mmHg (0°C) 29.9213 inHg (32°F) 10.3323 mH2O (4°C)

Constante de Stefan-Boltzmann

s 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 vacío

c 2.9979 108 m/s 9.836 108 ft/s

Velocidad del sonido en aire seco a 0°C y 1 atm

C 331.36 m/s 1 089 ft/s

Calor de fusión del agua a 1 atm

hif 333.7 kJ/kg 143.5 Btu/lbm

Calor de vaporización del agua a 1 atm

hfg 2 257.1 kJ/kg 970.4 Btu/lbm

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Citas sobre Ética Sin la ética, todo sucede como si cinco mil millones de pasajeros fueran abordo de una embarcación sin conductor. Cada vez más de prisa, pero no sabemos hacia adónde. —Jacques Cousteau Que tenga el derecho o la posibilidad de hacerlo, no significa que sea correcto hacerlo. —Laura Schlessinger Un hombre sin ética es una bestia salvaje deambulando por este mundo. —Manly Hall La preocupación por el hombre y su destino deben ser siempre el principal interés de cualquier esfuerzo técnico. Nunca lo olvide entre sus diagramas y ecuaciones. —Albert Einstein La cobardía pregunta ‘¿Es seguro?’. La conveniencia pregunta ‘¿Es políticamente aceptable?’ La vanidad pregunta ‘¿Es popular?’. Pero la conciencia pregunta ‘¿Es lo correcto?’ Y entonces llega el momento en que una persona debe asumir una postura que no es segura, ni políticamente aceptable ni popular, pero que es su deber asumirla pues su conciencia le dice que es lo correcto. —Martin Luther King, Jr. Educar mental y no moralmente a un hombre es crear un peligro para la sociedad. —Theodore Rooselvelt La política que gira alrededor del beneficio es salvajismo. —Said Nursi La verdadera prueba de la civilización no es el censo ni el tamaño de las ciudades ni de los cultivos, sino el tipo de hombre que el país produce. —Ralph W. Emerson El verdadero carácter de un hombre se puede apreciar en qué haría si supiera que nadie nunca lo sabría. —Thomas B. Macaulay

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TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA FUNDAMENTOS Y APLICACIONES Cuarta edición

YUNUS A. ÇENGEL University of Nevada, Reno

AFSHIN J. GHAJAR Oklahoma State University, Stillwater

Revisión técnica Rosario Dávalos Gutiérrez Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas, Instituto Politécnico Nacional, México

Juan José Coble Castro Universidad Antonio de Nebrija, Madrid, España

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

Álvaro Ochoa López Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente

MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO

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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor: Pablo E. Roig Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez Supervisor de producción: Zeferino García García Traducción: Erika Jasso Hernán D’Borneville

TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA. Fundamentos y aplicaciones Cuarta edición Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

Educación DERECHOS RESERVADOS © 2011, 2007, 2004 respecto a la tercera edición en español por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Edificio Punta Santa Fe 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: 978-607-15-0540-8 ISBN edición anterior: 978-970-10-6173-2 Traducido de la cuarta edición de Heat and Mass Transfer by Yunus A. Çengel and Afshin J. Ghajar. Copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN: 978-0-07-339812-9

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Impreso en México

Printed in Mexico

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ACERCA

DE

LOS AUTORES

Yunus A. Çengel es profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Nevada en Reno. Recibió su grado de doctor en Ingeniería Mecánica en la Universidad Estatal de Carolina del Norte en 1984. Sus áreas de investigación son la energía renovable, la desalinización, el análisis de la energía, el mejoramiento de la transferencia de calor, la transferencia de calor por radiación y la conservación de la energía. Ha fungido como director del Industrial Assessment Center (IAC) en la Universidad de Nevada en Reno, de 1996 a 2000. Ha conducido equipos de estudiantes de ingeniería a numerosas instalaciones industriales en el norte de Nevada y California, para efectuar evaluaciones industriales y ha preparado informes sobre conservación de la energía, minimización de los desechos y mejoramiento de la productividad para ellas. El doctor Çengel es coautor de libros de texto ampliamente aceptados, como: Termodinámica: una aproximación a la ingeniería (2002), ahora en su cuarta edición, y Fundamentos de ciencias de termofluidos (2001), los dos publicados por McGraw-Hill. También es autor del libro de texto Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer (1997) publicado por McGraw-Hill. Algunos de sus libros de texto han sido traducidos al chino, japonés, coreano, español, turco, italiano y griego. Ha recibido varios premios sobresalientes en el ámbito de la enseñanza como el premio ASEE Meriam/Wiley como autor distinguido en 1992 y, una vez más, en 2000. Es ingeniero profesional registrado en el estado de Nevada y miembro de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME, por sus siglas en inglés) y la Sociedad Estadounidense para la Educación en Ingeniería (ASEE, por sus siglas en inglés).

Afshin J. Ghajar es profesor distinguido con el nombramiento de Regents Professor y director de estudios de posgrado en la Escuela de Mecánica e Ingeniería Aeroespacial en la Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma, y profesor honorario en la Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China. Obtuvo su licenciatura, maestría y doctorado en ingeniería mecánica por la Oklahoma State University. Se ha especializado en transferencia de calor y mecánica de fluidos en las áreas experimental y computacional. Ha realizado importantes aportaciones al campo de las ciencias térmicas a través de sus trabajos experimentales, empíricos y numéricos sobre transferencia de calor y estratificación en sistemas de almacenamiento sensible, transferencia térmica a fluidos no newtonianos, transferencia de calor en la región de transición y transferencia de calor no hirviente en flujos bifásicos. Su investigación se ha centrado, actualmente, en la transferencia de calor en los flujos bifásicos, la administración térmica de mini y microsistemas y la transferencia de calor por convección mixta y la caída de presión en la región de transición. Ha participado como investigador asociado de verano en el Wright Patterson AFB (Dayton, Ohio) y en Dow Chemical Company (Freeport, Texas). Ha publicado con sus colaboradores más de 150 trabajos de investigación. Tiene en su haber varios discursos inaugurales y conferencias en importantes conferencias e instituciones técnicas. Ha recibido múltiples premios por su labor magisterial, científica y consultiva del College of Engineering at Oklahoma State University. El doctor Ghajar pertenece a la American Society of Mechanical Engineers (ASME), es editor para CRS Press/Taylor & Francis y editor en jefe de Heat Transfer Engineering, una revista internacional orientada a los ingenieros y especialistas en transferencia de calor publicada por Taylor y Francis.

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CONTENIDO

BREVE

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CAPÍTULO

UNO

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS

CAPÍTULO

1

DOS

ECUACIÓN DE LA CONDUCCIÓN DE CALOR

63

CAPÍTULO TRES CONDUCCIÓN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO

CAPÍTULO

C U AT R O

CONDUCCIÓN DE CALOR EN RÉGIMEN TRANSITORIO

CAPÍTULO

519

DIEZ

EBULLICIÓN Y CONDENSACIÓN

CAPÍTULO

581

ONCE

INTERCAMBIADORES DE CALOR

CAPÍTULO

465

NUEVE

CONVECCIÓN NATURAL

CAPÍTULO

417

OCHO

CONVECCIÓN INTERNA FORZADA

CAPÍTULO

373

SIETE

CONVECCIÓN EXTERNA FORZADA

CAPÍTULO

295

SEIS

FUNDAMENTOS DE LA CONVECCIÓN

CAPÍTULO

225

CINCO

MÉTODOS NUMÉRICOS EN LA CONDUCCIÓN DE CALOR

CAPÍTULO

135

629

DOCE

FUNDAMENTOS DE LA RADIACIÓN TÉRMICA

683

CAPÍTULO TRECE TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

CAPÍTULO

C AT O R C E

TRANSFERENCIA DE MASA

APÉNDICE

731

795

1

TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INTERNACIONAL)

APÉNDICE

2

TABLAS Y DIAGRAMAS DE PROPIEDADES (SISTEMA INGLÉS)

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Prefacio xvii

Transferencia de calor multidimensional 66 Generación de calor 68

2-2

CAPÍTULO

UNO

INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS 1-1

Ecuación de la conducción de calor en una pared plana grande 69 Ecuación de la conducción de calor en un cilindro largo 71 Ecuación de la conducción de calor en una esfera 72 Ecuación unidimensional combinada de la conducción de calor 73

1

Termodinámica y transferencia de calor 2 Áreas de aplicación de la transferencia de calor 3 Fundamentos históricos 3

1-2

Elaboración de modelos en la transferencia de calor

1-3

2-3

Transferencia de calor en la ingeniería 4

1-4

Calor y otras formas de energía 6

1-5 1-6

2-4

Conductividad térmica 19 Difusividad térmica 22

1-7

Convección 25

1-8

Radiación 27

1-9

Mecanismos simultáneos de transferencia de calor 30

Condición de frontera de temperatura específica 80 Condición de frontera de flujo específico de calor 80 Condición de convección de frontera 82 Condición de radiación de frontera 84 Condiciones de frontera en la interfase 85 Condiciones de frontera generalizadas 85

2-5

Resolución de problemas unidimensionales de conducción de calor en regimen estacionario 87

2-6 2-7

Generación de calor en un sólido 99

Mecanismos de transferencia de calor 17 Conducción 17

Condiciones de frontera e iniciales 78 1 2 3 4 5 6

Primera ley de la termodinámica 11 Balance de energía para sistemas cerrados (masa fija) 12 Balance de energía para sistemas de flujo estacionario 12 Balance de energía en la superficie 13

Ecuación general de conducción de calor 75 Coordenadas rectangulares 75 Coordenadas cilíndricas 77 Coordenadas esféricas 77

5

Calores específicos de gases, líquidos y sólidos 7 Transferencia de la energía 9

Ecuación unidimensional de la conducción de calor 69

Conductividad térmica variable, k(T)

106

Tema de interés especial: Un breve repaso de las ecuaciones diferenciales 109 Resumen 114 Bibliografía y lecturas sugeridas 115 Problemas 115

1-10 Técnica de resolución de problemas 35 Software para ingeniería 37 Solucionador de ecuación de ingeniería o Engineering Equation Solver (EES) 38 Una observación sobre las cifras significativas 39 Tema de interés especial: Comodidad térmica 40

CAPÍTULO TRES CONDUCCIÓN DE CALOR EN ESTADO ESTACIONARIO 135 3-1

Resumen 46 Bibliografía y lecturas sugeridas 47 Problemas 47

CAPÍTULO

DOS

El concepto de resistencia térmica 137 Red de resistencias térmicas 139 Paredes planas de capas múltiples 141

3-2 3-3

Resistencia térmica por contacto 146

3-4

Conducción de calor en cilindros y esferas 154

ECUACIÓN DE LA CONDUCCIÓN DE CALOR 63 2-1

Introducción 64 Transferencia de calor estable en comparación con la transferencia transitoria 65

Conducción de calor en estado estacionario en paredes planas 136

Redes generalizadas de resistencias térmicas 151 Cilindros y esferas con capas múltiples 156

3-5

Radio crítico de aislamiento 160 xi

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