www.elsolucionario.net www.elsolucionario.net Factores de conversión DIMENSIÓN MÉTRICO MÉTRICO/INGLÉS Aceleración 1 m/s2 1 m/s2 1 ft/s2 Área 1 m2 Densidad 1 g/cm3 Energía, calor, trabajo, energía interna, entalpía 1 1 1 1 1 1 Fuerza 1 N 1 kg · m/s2 10 5 dina 1 kgf 9.80665 N 1N 1 lbf Flujo de calor 1 W/cm2 1 W/m2 Coeficiente de transferencia de calor 1 W/m2 · °C Longitud 1 m 100 cm 1 000 mm 1 km 1 000 m Masa 1 kg 1 000 g 1 tonelada métrica Potencia, velocidad de transferencia de calor 100 cm/s2 10 4 cm2 10 6 mm2 1 kg/L 10 6 km2 1 000 kg/m3 10 4 W/m2 1 W/m2 · K 1 W 1 J/s 1 kW 1 000 W 1 hp‡ 745.7 W 1 m2 1 ft 2 1 kJ 0.94782 Btu 1 Btu 1.055056 kJ 5.40395 psia · ft 3 778.169 lbf · ft 1 Btu/lbm 25 037 ft 2 /s2 2.326* kJ/kg 1 kJ/kg 0.430 Btu/lbm 1 kWh 3 412.14 Btu 1 termia 10 5 Btu 1.055 10 5 kJ (gas natural) Calor específico 10 6 mm 1 000 kg 4.44822 N 0.3171 Btu/h · ft 2 0.17612 Btu/h · ft 2 · °F 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 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 1 kW 1.341 hp 1 1 Pa 1 N/m2 1 kPa 10 3 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 kJ/kg · °C 0.22481 lbf 32.174 lbm · ft/s2 1 W/m2 · °C 1 1 1 Presión 1 550 in2 10.764 ft 2 144 in2 0.09290304* m2 1 g/cm3 62.428 lbm/ft 3 0.036127 lbm/in3 1 lbm/in3 1 728 lbm/ft 3 1 kg/m3 0.062428 lbm/ft 3 1 kPa · m3 kJ 1 000 J 1 000 N · m kJ/kg 1 000 m2 /s2 kWh 3 600 kJ cal † 4.184 J IT cal † 4.1868 J Cal † 4.1868 kJ 3.2808 ft/s2 0.3048* m/s2 1 kJ/kg · K 1 J/g · °C 3 412.14 Btu/h 737.56 lbf · ft/s hp 550 lbf · ft/s 0.7068 Btu/s 42.41 Btu/min 2544.5 Btu/h 0.74570 kW hp de caldera 33 475 Btu/h Btu/h 1.055056 kJ/h ton de refrigeración 200 Btu/min 1.4504 10 4 psia 0.020886 lbf/ft 2 1 psi 144 lbf/ft 2 6.894757 kPa 1 atm 14.696 psia 29.92 in Hg a 30°F 1 in Hg 3.387 kPa 1 Pa 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). www.elsolucionario.net DIMENSIÓN MÉTRICO MÉTRICO/INGLÉS Volumen específico 1 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 · °C Velocidad 1 m/s Volumen 1 m3 Tasa de flujo volumétrico ‡Caballo 1 000 L/kg 1 000 cm3 /g 1 m3 /kg 16.02 ft 3 /lbm 1 ft 3 /lbm 0.062428 m3 /kg 1 W/m · K 3.60 km/h 1 000 L 1 m3 /s 1 m/s 1 mi/h 1 mi/h 10 6 cm3 (cc) 60 000 L/min 0.57782 Btu/h · ft · °F 3.2808 ft/s 2.237 mi/h 1.46667 ft/s 1.6093 km/h 1 m3 6.1024 10 4 in3 35.315 ft 3 264.17 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 10 6 cm3 /s 1 m3 /s 15 850 gal/min (gpm) 2 118.9 ft 3 /min (cfm) 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 Presión atmosférica estándar 1 atm Constante de Stefan-Boltzmann 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 · ft 3 /lbmol · R 9.80665 m/s2 32.174 ft/s2 101.325 kPa 1.01325 bar 14.696 psia 760 mm Hg (0°C) 29.9213 in Hg (32°F) 10.3323 m H2 O (4°C) 5.6704 0.1714 Constante de Boltzmann k Velocidad de la luz en el vacío co Velocidad del sonido en aire seco a 0ºC y 1 atm c 8 10 10 1.380650 8 10 W/m2 · K4 Btu/h · ft 2 · R4 23 2.9979 10 8 m/s 9.836 10 8 ft/s 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 www.elsolucionario.net J/K 35.315 ft 3 /s www.elsolucionario.net TERMODINÁMICA www.elsolucionario.net www.elsolucionario.net TERMODINÁMICA SÉPTI MA EDI CIÓN YUNUSA. 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 Abraham L. Martínez Bautista Universidad La Salle, México Guillermo Eduardo Mejía Hernández Instituto Tecnológico de Querétaro, México Universidad Nacional Autónoma de 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 www.elsolucionario.net Director Gener al México: Miguel Ángel Toledo Castellanos Editor sponsor : Pablo E. Roig Vázquez Coor dinador a editor ial: Marcela I. Rocha Martínez Editor a de desar rollo: Ana Laura Delgado Rodríguez Super visor de producción: Zeferino García García Tr aducción: 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 1345678902 Impreso en México Printed in Mexico www.elsolucionario.net La mente es como un paraca das: 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 l der 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 sabidur a 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 www.elsolucionario.net 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. www.elsolucionario.net CONTENIDO BREVE C AP Í T UL O 1 INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSI COS 1 C AP Í T UL O 2 ENERGÍA, TRANSFERENCIA DE ENERGÍA Y ANÁLI SIS GENERAL DE LA ENERGÍA C AP Í T UL O 3 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 111 C AP Í T UL O 4 ANÁLI SIS DE ENERGÍA DE SISTEMAS CERRADOS 165 C AP Í T UL O 5 ANÁLI SIS DE MASA Y ENERGÍA DE VOLÚMENES DE CONTROL C AP Í T UL O 6 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODI NÁMI CA 51 219 279 C AP Í T UL O 7 ENTROPÍA 331 C AP Í T UL O 8 EXERGÍA: UNA MEDI DA DEL POTENCIAL DE TRABAJO C AP Í T UL O 9 CI CLOS DE POTENCIA DE GAS 491 C AP Í T UL O 10 CI CLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBI NADOS C AP Í T UL O 11 CI CLOS DE REFRI GERACIÓN 559 615 C AP Í T UL O 12 RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODI NÁMI CAS C AP Í T UL O 13 MEZCLA DE GASES 427 667 699 C AP Í T UL O 14 MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDI CIONAMIENTO DE AI RE C AP Í T UL O 15 REACCIONES QUÍ MI CAS 771 C AP Í T UL O 16 EQUI LI BRIO QUÍ MI CO Y DE FASE C AP Í T UL O 17 FLUJO COMPRESI BLE 737 815 847 AP É NDI C E 1 TABLAS DE PROPIEDADES, FI GURAS Y DIAGRAMAS (UNI DADES SI) 907 AP É NDI C E 2 TABLAS DE PROPIEDADES, FI GURAS Y DIAGRAMAS (UNI DADES INGLESAS) www.elsolucionario.net 957 CONTENIDO CAPÍTULO 2 Prefacio xix ENERGÍA, TRANSFERENCIADEENERGÍA YANÁLISISGENERAL DEENERGÍA 51 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓNYCONCEPTOSBÁSICOS 1 1-1 Ter modinámica y ener gía 2-1 2 2-2 Áreas de aplicación de la termodinámica 3 1-2 Algunas unidades SI e inglesas 6 Homogeneidad dimensional 8 Relaciones de conversión de unidades 9 Sistemas cer r ados y abier tos 10 1-4 Propiedades de un sistema 2-3 Densidad y densidad relativa 1-6 Estado y equilibr io 2-4 12 2-5 13 14 Procesos y ciclos 15 Temper atur a y ley cero de la ter modinámica 17 2-6 Presión 21 Variación de la presión con la profundidad 1-10 Manómetro 60 61 Tr ansferencia de ener gía por tr abajo 62 2-7 23 La pr imer a ley de la ter modinámica 70 26 2-8 1-11 Bar ómetro y presión atmosfér ica 1-12 Técnica par a resolver problemas 33 Eficiencia en la conver sión de ener gía 78 Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 82 Otros dispositivos de medición de presión 29 Ener gía y ambiente 86 Ozono y esmog 87 Lluvia ácida 88 Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climático 89 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 Resumen 39 Referencias y lecturas recomendadas 39 Problemas 40 For mas mecánicas del tr abajo 66 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 Tr ansferencia de ener gía por calor 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 Proceso de flujo estacionario 16 1-8 53 Trabajo eléctrico 65 Postulado de estado 14 1-7 For mas de ener gía Antecedentes históricos sobre el calor Continuo 12 1-5 52 Algunas consideraciones físicas en relación con la energía interna 55 Más sobre energía nuclear 56 Energía mecánica 58 Impor tancia de las dimensiones y unidades 3 1-3 Introducción Tema de interés especial: Mecanismos de tr ansferencia de calor 92 Resumen 96 Referencias y lecturas recomendadas 97 Problemas 98 CAPÍTULO 3 PROPIEDADESDELASSUSTANCIASPURAS 111 3-1 Sustancia pur a www.elsolucionario.net 112 xiii CONTENIDO 3-2 Fases de una sustancia pur a 3-3 Procesos de cambio de fase en sustancias pur as 113 CONTENIDO 112 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 Diagr amas de propiedades par a 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 3-8 CAPÍTULO 5 ANÁLISISDEMASAYENERGÍADEVOLÚMENES DECONTROL 219 5-1 Factor de compresibilidad, una medida de la desviación del compor tamiento de gas ideal 139 Otr as ecuaciones de estado 5-2 Tr abajo de flujo y ener gía de un fluido en movimiento 226 5-3 Análisis de ener gía de sistemas de flujo estacionar io 230 5-4 Algunos dispositivos de ingenier ía de flujo estacionar io 233 144 1 2 3 4a 4b 5 5-5 Resumen 153 Referencias y lecturas recomendadas 154 Problemas 154 Toberas y difusores 233 Turbinas y compresores 236 Válvulas de estrangulamiento 239 Cámaras de mezclado 240 Intercambiadores de calor 242 Flujo en tuberías y ductos 244 Análisis de procesos de flujo no estacionar io 246 Tema de interés especial: Ecuación gener al de ener gía 251 Resumen 254 Referencias y lecturas recomendadas 255 Problemas 255 CAPÍTULO 4 ANÁLISISDEENERGÍADESISTEMAS CERRADOS 165 4-1 220 Energía total de un fluido en movimiento 227 Energía transportada por la masa 228 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 equilibr io de fases 149 Conser vación de la masa Flujos másico y volumétrico 220 Principio de conservación de la masa 222 Balance de masa para procesos de flujo estacionario 223 Caso especial: flujo incompresible 224 Ecuación de estado de gas ideal 137 ¿El vapor de agua es un gas ideal? 139 3-7 Resumen 200 Referencias y lecturas recomendadas 201 Problemas 201 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 3-6 Tema de interés especial: Aspectos ter modinámicos de los sistemas biológicos 193 CAPÍTULO 6 LASEGUNDALEYDELATERMODINÁMICA 279 Tr abajo de fronter a móvil 166 Proceso politrópico 171 6-1 Introducción a la segunda ley 280 4-2 Balance de ener gía par a sistemas cer r ados 173 6-2 Depósitos de ener gía tér mica 4-3 Calores específicos 178 4-4 Ener gía inter na, entalpía y calores específicos de gases ideales 180 6-3 Relaciones de calores específicos de gases ideales 182 4-5 Ener gía inter na, entalpía y calores específicos de sólidos y líquidos 189 Cambios de energía interna 189 Cambios de entalpía 189 281 Máquinas tér micas 282 Eficiencia térmica 283 ¿Es posible ahorrar Qsalida? 285 La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-Planck 287 6-4 Refr iger adores y bombas de calor 287 Coeficiente de desempeño 288 Bombas de calor 289 Desempeño de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor 290 www.elsolucionario.net xiv CONTENIDO CONTENIDO 7-11 La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius 292 Equivalencia de los dos enunciados 293 6-5 Máquinas de movimiento per petuo 6-6 Procesos rever sibles e ir rever sibles 296 7-12 294 El ciclo de carnot 7-13 299 6-8 Pr incipios de Carnot 6-9 Escala ter modinámica de temper atur a 6-10 La máquina tér mica de Carnot 301 303 305 Calidad de la energía 307 Cantidad contra calidad en la vida diaria 307 El refr iger ador de Carnot y la bomba de calor 308 CAPÍTULO 8 CAPÍTULO 7 EXERGÍA: UNAMEDIDADEL POTENCIAL DETRABAJO 427 ENTROPÍA 331 8-1 332 Caso especial: procesos isotérmicos de transferencia de calor internamente reversibles 334 7-2 377 Resumen 400 Referencias y lecturas recomendadas 401 Problemas 402 Resumen 315 Referencias y lecturas recomendadas 316 Problemas 316 Entropía Balance de entropía Tema de interés especial: Reducción del costo del aire compr imido 390 Tema de interés especial: Refr iger adores domésticos 311 7-1 Eficiencias isentr ópicas de dispositivos de flujo estacionar io 370 Cambio de entropía de un sistema, Ssistema 378 Mecanismos de transferencia de entropía, Sentrada y Ssalida 378 1 Transferencia de calor 378 2 Flujo másico 379 Generación de entropía, Sgen 380 Sistemas cerrados 381 Volúmenes de control 381 Generación de entropía asociada con un proceso de transferencia de calor 388 Ciclo de Carnot inverso 301 6-11 El pr incipio del incremento de entropía 335 Exer gía: potencial de tr abajo de la ener gía 428 Exergía (potencial de trabajo) asociada con la energía cinética y potencial 429 Algunos comentarios sobre la entropía 337 8-2 Tr abajo rever sible e ir rever sibilidad 7-3 Cambio de entropía de sustancias pur as 339 8-3 Eficiencia según la segunda ley, h II 7-4 Procesos isentr ópicos 343 8-4 7-5 Diagr amas de propiedades que involucr an a la entropía 7-6 ¿Qué es la entropía? Cambio de exer gía de un sistema 431 436 439 Exergía de una masa fija: exergía sin flujo (o de sistema cerrado) 439 Exergía de una corriente de flujo: exergía de flujo (o corriente) 442 344 346 La entropía y la generación de entropía en la vida diaria 348 7-7 Las relaciones T ds 350 7-8 Cambio de entropía de líquidos y sólidos 351 7-9 Cambio de entropía de gases ideales 7-10 366 Eficiencia isentrópica de turbinas 371 Eficiencias isentrópicas de compresores y bombas 373 Eficiencia isentrópica de toberas 375 Irreversibilidades 297 Procesos interna y externamente reversibles 298 6-7 Minimización del tr abajo del compresor Compresión en etapas múltiples con interenfriamiento 367 354 Calores específicos constantes (análisis aproximado) Calores específicos variables (análisis exacto) 356 Procesos isentrópicos de gases ideales 358 Calores específicos constantes (análisis aproximado) 358 Calores específicos variables (análisis exacto) 359 Presión relativa y volumen específico relativo 359 355 Tr abajo rever sible de flujo estacionar io 362 Demostración que los dispositivos de flujo estacionario entregan el máximo trabajo y consumen el mínimo cuando el proceso es reversible 365 8-5 Tr ansferencia de exer gía por calor, tr abajo y masa 445 Transferencia de exergía por calor, Q 445 Transferencia de exergía por trabajo, W 446 Transferencia de exergía por masa, m 447 8-6 Pr incipio de disminución de exer gía y destr ucción de exer gía 447 8-7 Balance de exer gía: sistemas cer r ados 449 8-8 Balance de exer gía: volúmenes de control 460 Destrucción de exergía 448 Balance de exergía para sistemas de flujo estacionario 461 Trabajo reversible, Wrev 462 Eficiencia según la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario, h II 462 www.elsolucionario.net xv CONTENIDO CONTENIDO Tema de interés especial: Aspectos cotidianos de la segunda ley 10-3 Desviación de los ciclos de potencia de vapor reales respecto de los idealizados 565 10-4 ¿Cómo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 568 468 Resumen 473 Referencias y lecturas recomendadas 474 Problemas 474 Reducción de la presión del condensador (reducción de Tbaja,prom) 568 Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de Talta,prom) 569 Incremento de la presión de la caldera (incremento de Talta,prom) 569 CAPÍTULO 9 CICLOSDEPOTENCIADEGAS 491 10-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 572 9-1 Consider aciones básicas par a el análisis de los ciclos de potencia 492 9-2 El ciclo de Carnot y su valor en ingenier ía 9-3 Suposiciones de aire estándar 9-4 Breve panor ama de las máquinas reciprocantes 497 10-7 9-5 Ciclo de Otto: el ciclo ideal par a las máquinas de encendido por chispa 498 10-8 Cogener ación 10-9 Ciclos de potencia combinados de gas y vapor 591 9-6 494 Ciclo Diesel: el ciclo ideal par a las máquinas de encendido por compresión 504 Ciclos Stir ling y Er icsson 9-8 Ciclo Br ayton: el ciclo ideal par a los motores de tur bina de gas 511 El ciclo Rankine ideal regener ativo 576 Calentadores abiertos de agua de alimentación 576 Calentadores cerrados de agua de alimentación 578 496 9-7 Análisis de ciclos de potencia de vapor con base en la segunda ley 584 587 Tema de interés especial: Ciclos binar ios de vapor 507 594 Resumen 597 Referencias y lecturas recomendadas 597 Problemas 598 Desarrollo de las turbinas de gas 514 Desviación de los ciclos reales de turbina de gas en comparación con los idealizados 517 CAPÍTULO 11 9-9 Ciclo Br ayton con regener ación 9-10 Ciclo Br ayton con interenfr iamiento, recalentamiento y regener ación 521 9-11 Ciclos ideales de propulsión por reacción 519 CICLOSDEREFRIGERACIÓN 615 11-1 Refr iger adores y bombas de calor 11-2 El ciclo inver tido de Carnot Análisis de ciclos de potencia de gas con base en la segunda ley 531 11-3 El ciclo ideal de refr iger ación por compresión de vapor 618 Tema de interés especial: Ahor ro de combustible y dinero al manejar con sensatez 534 11-4 Ciclo real de refr iger ación por compresión de vapor 622 11-5 Análisis de la segunda ley del ciclo de refr iger ación por compresión de vapor Modificaciones para motores de turborreactor 9-12 10-6 529 Resumen 541 Referencias y lecturas recomendadas 543 Problemas 543 CAPÍTULO 10 525 El ciclo de vapor de Car not 10-2 Ciclo Rankine: el ciclo ideal par a los ciclos de potencia de vapor Selección del refr iger ante adecuado 11-7 Sistemas de bombas de calor 11-8 Sistemas innovadores de refr iger ación por compresión de vapor 633 562 624 629 631 Sistemas de refrigeración en cascada 633 Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas 636 Sistemas de refrigeración de propósito múltiple con un solo compresor 638 Licuefacción de gases 639 560 Análisis de energía del ciclo Rankine ideal 617 11-6 CICLOSDEPOTENCIADEVAPOR YCOMBINADOS 559 10-1 616 561 11-9 Ciclos de refr iger ación de gas 641 11-10 Sistemas de refr iger ación por absorción www.elsolucionario.net 644 xvi CONTENIDO CONTENIDO Tema de interés especial: Sistemas ter moeléctr icos de gener ación de potencia y de refr iger ación 647 Resumen 649 Referencias y lecturas recomendadas 650 Problemas 650 Referencias y lecturas recomendadas 727 Problemas 727 CAPÍTULO 14 MEZCLASDEGAS-VAPOR YACONDICIONAMIENTODEAIRE 737 CAPÍTULO 12 14-1 Aire seco y aire atmosfér ico 738 14-2 Humedad específica y relativa del aire 14-3 Temper atur a de punto de rocío 741 Un poco de matemáticas: der ivadas parciales y relaciones asociadas 668 14-4 Diferenciales parciales 669 Relaciones de derivadas parciales 671 Temper atur as de satur ación adiabática y de bulbo húmedo 743 14-5 La car ta psicrométr ica 12-2 Relaciones de Maxwell 672 14-6 12-3 La ecuación de Clapeyron Comodidad humana y acondicionamiento de aire 12-4 Relaciones gener ales par a du, dh, ds, cv y cp 677 RELACIONESDEPROPIEDADES TERMODINÁMICAS 667 12-1 674 14-7 739 746 747 Procesos de acondicionamiento de aire Calentamiento y enfriamiento simples (V = constante) Calentamiento con humidificación 751 Enfriamiento con deshumidificación 752 Enfriamiento evaporativo 754 Mezclado adiabático de flujos de aire 755 Torres de enfriamiento húmedo 757 Cambios en la energía interna 677 Cambios de entalpía 678 Cambios de entropía 679 Calores específicos cv y cp 680 12-5 El coeficiente de Joule-Thomson 684 12-6 Las h, u y s de gases reales 685 749 750 Resumen 759 Referencias y lecturas recomendadas 761 Problemas 761 Cambios en la entalpía de gases reales 686 Cambios de energía interna de gases ideales 687 Cambios de entropía de gases reales 687 CAPÍTULO 15 Resumen 690 Referencias y lecturas recomendadas 691 Problemas 691 REACCIONESQUÍMICAS 771 CAPÍTULO 13 15-1 Combustibles y combustión 15-2 Procesos de combustión teór ica y real 776 MEZCLADEGASES 699 15-3 Entalpía de for mación y entalpía de combustión 782 13-1 Composición de una mezcla de gases: fr acciones molares y de masa 700 15-4 Análisis de sistemas reactivos con base en la pr imer a ley 785 13-2 Compor tamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 702 Mezclas de gases ideales 703 Mezclas de gases reales 703 13-3 Propiedades de mezclas de gases: gases ideales y reales 707 Mezclas de gases ideales 708 Mezclas de gases reales 711 Tema de interés especial: Potencial químico y el tr abajo de separ ación de mezclas 715 Resumen 726 772 Sistemas de flujo estacionario 786 Sistemas cerrados 787 15-5 Temper atur a de flama adiabática 15-6 Cambio de entropía de sistemas reactivos 793 15-7 Análisis de sistemas reactivos con base en la segunda ley 795 Tema de interés especial: Celdas de combustible 800 Resumen 802 Referencias y lecturas recomendadas 803 Problemas 803 www.elsolucionario.net 790 xvii CONTENIDO CONTENIDO CAPÍTULO 16 APÉNDICE 1 EQUILIBRIOQUÍMICOYDEFASE 815 TABLASDEPROPIEDADES, FIGURAS YDIAGRAMAS(UNIDADESSI) 907 16-1 Cr iter io par a el equilibr io químico 816 16-2 La constante de equilibr io par a mezclas de gases ideales 818 Tabla A-1 16-3 Algunas obser vaciones respecto a la Kp de las mezclas de gases ideales 822 Tabla A-2 16-4 Equilibr io químico par a reacciones simultáneas 826 16-5 Var iación de Kp con la temper atur a 16-6 Equilibr io de fase 830 Tabla A-4 828 Equilibrio de fase para un sistema de un solo componente 830 La regla de fases 831 Equilibrio de fases para un sistema multicomponente 832 Resumen 837 Referencias y lecturas recomendadas 838 Problemas 839 CAPÍTULO 17 Tabla A-12 17-1 Propiedades de estancamiento 17-2 Velocidad del sonido y número de Mach 17-3 Flujo isentr ópico unidimensional 853 848 851 Variación de la velocidad del fluido con el área de flujo 856 Relaciones de propiedades para el flujo isentrópico de gases ideales 858 Tabla A-16 Flujo isentr ópico a tr avés de tober as aceler ador as 860 Tabla A-17 Tabla A-18 Ondas de choque y ondas de expansión Choques normales 869 Choques oblicuos 876 Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 17-6 869 880 Flujo en un ducto con tr ansferencia de calor, de fr icción insignificante (flujo de Rayleigh) 884 Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh 890 Flujo de Rayleigh ahogado 891 17-7 Tabla A-13 Figura A-14 Figura A-15 Toberas convergentes 860 Toberas divergentes 865 17-5 Tabla A-5 Tabla A-6 Tabla A-7 Tabla A-8 Figura A-9 Figura A-10 Tabla A-11 FLUJOCOMPRESIBLE 847 17-4 Tabla A-3 TOBERAS DE VAPOR de agua 893 Resumen 896 Referencias y lecturas recomendadas 897 Problemas 898 Tabla A-19 Tabla A-20 Tabla A-21 Tabla A-22 Tabla A-23 Tabla A-24 Tabla A-25 www.elsolucionario.net Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crítico 908 Calores específicos de gas ideal de varios gases comunes 909 Propiedades de líquidos, sólidos y alimentos comunes 912 Agua saturada. Tabla de temperaturas 914 Agua saturada. Tabla de presiones 916 Vapor de agua sobrecalentado 918 Agua líquida comprimida 922 Hielo saturado. Vapor de agua 923 Diagrama T-s para el agua 924 Diagrama de Mollier para el agua 925 Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 926 Refrigerante 134a saturado. Tabla de presión 928 Refrigerante 134a sobrecalentado 929 Diagrama P-h para el refrigerante 134a 931 Carta generalizada de compresibilidad de Nelson-Obert 932 Propiedades de la atmósfera a gran altitud 933 Propiedades de gas ideal del aire 934 Propiedades de gas ideal del nitrógeno, N2 936 Propiedades de gas del oxígeno, O2 938 Propiedades de gas ideal del dióxido de carbono, CO2 940 Propiedades de gas ideal del monóxido de carbono, CO 942 Propiedades de gas ideal del hidrógeno, H2 944 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 945 Propiedades de gas ideal del oxígeno monoatómico, O 947 Propiedades de gas ideal del hidroxilo, OH 947 xviii CONTENIDO Tabla A-26 Tabla A-27 Tabla A-28 Figura A-29 Figura A-30 Figura A-31 Tabla A-32 Tabla A-33 Tabla A-34 CONTENIDO Entalpía de formación, función de Gibbs de formación y entropía absoluta a 25°C, 1 atm 948 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 949 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp 950 Carta generalizada de desviación de entalpía 951 Carta generalizada de desviación de entropía 952 Carta psicrométrica a 1 atm de presión total 953 Funciones de flujo compresible unidimensional e isentrópico de un gas ideal con k 1.4 954 Funciones de choque normal unidimensional de un gas ideal con k 1.4 955 Funciones del flujo de Rayleigh para un gas ideal con k 1.4 956 Tabla A-6E Tabla A-7E Tabla A-8E Figura A-9E Figura A-10E Tabla A-11E Tabla A-12E Tabla A-13E Figura A-14E Tabla A-16E Tabla A-17E Tabla A-18E Tabla A-19E Tabla A-20E APÉNDICE 2 Tabla A-21E TABLASDEPROPIEDADES, FIGURASYDIAGRAMAS (UNIDADESINGLESAS) 957 Tabla A-22E Tabla A-1E Tabla A-2E Tabla A-3E Tabla A-4E Tabla A-5E Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crítico 958 Calores específicos de gas ideal de varios gases comunes 959 Propiedades de líquidos, sólidos y alimentos comunes 962 Agua saturada. Tabla de temperaturas 964 Agua saturada. Tabla de presiones 966 Tabla A-23E Tabla A-26E Tabla A-27E Figura A-31E Vapor de agua sobrecalentado 968 Agua líquida comprimida 972 Hielo saturado. Vapor de agua 973 Diagrama T-s para el agua 974 Diagrama de Mollier para el agua 975 Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 976 Refrigerante 134a saturado. Tabla de presión 977 Refrigerante 134a sobrecalentado 978 Diagrama P-h para refrigerante 134a 980 Propiedades de la atmósfera a gran altitud 981 Propiedades de gas ideal del aire 982 Propiedades de gas ideal del nitrógeno, N2 984 Propiedades de gas ideal del oxígeno, O2 986 Propiedades de gas ideal del dióxido de carbono, CO2 988 Propiedades de gas ideal del monóxido de carbono, CO 990 Propiedades de gas ideal del hidrógeno, H2 992 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 993 Entalpía de formación, función de Gibbs de formación y entropía absoluta a 77°C, 1 atm 995 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 996 Gráfica psicrométrica a 1 atm de presión total 997 Índice analítico 999 www.elsolucionario.net PREFACIO ANTECEDENTES La termodinámica es una materia excitante y fascinante que trata sobre la energía, la cual es esencial para la conservación de la vida mientras que la termodinámica ha sido por mucho tiempo una parte fundamental de los programas de estudio de ingeniería en todo el mundo. Es una ciencia que tiene una amplia aplicación: desde los organismos microscópicos hasta los electrodomésticos, los vehículos de transporte, los sistemas de generación de energía eléctrica e incluso la filosofía. Este libro contiene material suficiente para dos cursos consecutivos de termodinámica; se presupone que los estudiantes poseen antecedentes sólidos en física y cálculo. OBJETIVOS Esta obra está pensada para utilizarse por los estudiantes como libro de texto durante los últimos años de su licenciatura, así como por ingenieros como libro de referencia. Sus objetivos son: Cubrir los principios básicos de la termodinámica. Presentar una vasta cantidad de ejemplos reales de ingeniería con la finalidad de proporcionar al estudiante una idea de cómo se aplica la termodinámica en la práctica de la ingeniería. Desarrollar una comprensión intuitiva de la termodinámica haciendo énfasis en la física y en los argumentos físicos. Se desea sobre todo que este libro —mediante sus explicaciones claras sobre conceptos y del uso de numerosos ejemplos prácticos y figuras— ayude a los estudiantes a desarrollar las habilidades básicas para llenar el hueco que existe entre el conocimiento y la confianza para aplicar adecuadamente tal aprendizaje. FILOSOFÍA Y OBJETIVO La filosofía que contribuyó a la enorme popularidad que gozaron las ediciones anteriores de esta obra se ha conservado intacta en esta nueva edición. En particular, el objetivo ha sido proporcionar un libro de ingeniería que: Llegue directamente y de una manera sencilla pero precisa a la mente de los futuros ingenieros. Conduzca a los estudiantes a una comprensión clara y un conocimiento sólido de los principios básicos de la termodinámica. Fomente el pensamiento creativo y el desarrollo de una compresión más profunda y un conocimiento intuitivo sobre la materia. Sea leído por los estudiantes con interés y entusiasmo en vez de que se utilice como una ayuda en la resolución de problemas. Se ha hecho un esfuerzo especial para incrementar la curiosidad natural de los lectores y ayudar a los estudiantes a explorar las diversas facetas del emo- www.elsolucionario.net xx PREFACIO cionante tema de la termodinámica. La respuesta entusiasta que hemos recibido por parte de los usuarios de ediciones anteriores —desde pequeñas escuelas hasta grandes universidades alrededor del mundo— indica que nuestros objetivos se han alcanzado en buena parte. En nuestra filosofía, creemos que la mejor forma de aprender es a través de la práctica, por lo tanto se ha realizado un esfuerzo especial a lo largo de todo el libro para reforzar el material que se presentó en ediciones anteriores. Anteriormente, los ingenieros pasaban una gran parte de su tiempo sustituyendo valores en las fórmulas y obteniendo resultados numéricos. Sin embargo, ahora la manipulación de fórmulas y el procesamiento de datos numéricos se dejan principalmente a las computadores. El ingeniero del mañana deberá tener una comprensión clara y conocimientos firmes sobre los principios básicos de modo que pueda entender incluso los problemas más complejos, formularlos e interpretar los resultados. Nos esforzamos por enfatizar estos principios básicos y además de ofrecer a los estudiantes un panorama del uso que se da a las computadores en la práctica de la ingeniería. En todo el libro se utiliza el enfoque tradicional clásico o macroscópico, con argumentos microscópicos de apoyo. Este enfoque está más acorde con la intuición de los estudiantes y hace mucho más fácil el aprendizaje de la materia. LO NUEVO EN ESTA EDICIÓN El cambio principal en esta séptima edición lo constituyen las mejoras de un gran número de ilustraciones lineales para convertirlas en figuras tridimensionales realistas; y la inclusión de alrededor de 400 problemas nuevos. Se conservan todas las características sobresalientes de las ediciones anteriores, y el cuerpo principal de todos los capítulos, además de que las tablas y gráficas en los apéndices permanecen sin cambios en su mayoría. Cada capítulo contiene ahora por lo menos un nuevo problema de ejemplo resuelto, y una parte importante de los problemas existentes están modificados. En el capítulo 1, se actualizó la sección de dimensiones y unidades, y se ha agregado una nueva subsección al capítulo 6 sobre el desempeño de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas térmicas. En el capítulo 8, se ha puesto al día el material sobre la eficiencia de segunda ley, y algunas definiciones de eficiencia de segunda ley se revisaron para darles coherencia. Asimismo, se han extendido en la sección las exposiciones sobre aspectos de la vida diaria en relación con la segunda ley. El capítulo 11 tiene ahora una nueva sección que se titula “Análisis de la segunda ley del ciclo de refrigeración por compresión de vapor”. MÁS DE 400 PROBLEMAS NUEVOS Esta edición incluye más de 400 problemas nuevos con una diversidad de aplicaciones. Los problemas cuyas soluciones exigen investigaciones paramétricas y, por lo tanto, el uso de una computadora, se identifican por el ícono . Algunos problemas existentes en ediciones anteriores se han eliminado del texto. HERRAMIENTAS PARA EL APRENDIZAJE INTRODUCCIÓN TEMPRANA A LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La primera ley de la termodinámica se presenta al principio del capítulo 2, “Energía, transferencia de energía y análisis general de energía”. Este capítulo introductorio conforma el marco para establecer una comprensión general de las diferentes formas de la energía, los mecanismos para la transferencia de energía, el concepto de balance de energía, la economía termodinámica, la con- www.elsolucionario.net xxi PREFACIO versión de energía y la eficiencia de conversión, mediante el uso de escenarios familiares dentro de los que se incluyen formas de energía eléctrica y mecánica, principalmente. Asimismo, en las primeras etapas del curso se exponen a los estudiantes algunas aplicaciones formidables de la termodinámica en la vida real, que les ayuda a crear conciencia del valor económico de la energía. Vale señalar el énfasis en la utilización de energía renovable, como la eólica y la hidráulica, y el uso eficiente de los recursos existentes. ÉNFASIS EN LA FÍSICA Una característica distintiva de este libro es el énfasis en los aspectos físicos del tema, además de las representaciones y manipulaciones. Los autores creen que el énfasis en la educación de licenciatura debe ser desarrollar un sentido de los mecanismos físicos subyacentes, y un dominio de solución de problemas prácticos que es probable que un ingeniero deba encarar en el mundo real. El desarrollo de una comprensión intuitiva en el transcurso del curso de Termodinámica debe ser algo motivador y valioso para los estudiantes. USO EFICIENTE DE LA ASOCIACIÓN Una mente observadora no debe tener dificultades para comprender las ciencias de la ingeniería. Después de todo, los principios de estas ciencias se basan en experiencias cotidianas y observaciones experimentales. A lo largo de la obra se usará un enfoque intuitivo más físico y con frecuencia se realizan similitudes entre el tema en cuestión 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 excelente vehículo para demostrar los principios básicos de la termodinámica. AUTOAPRENDIZAJE El material del texto se presenta en un nivel de complejidad tal que un estudiante promedio pueda seguirlos sin tener ningún problema. Se dirige a los estudiantes, no por encima de 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 más simple y agrega complejidad de forma gradual. De esta manera los conceptos básicos se aplican repetidamente a sistemas distintos, por lo que los estudiantes adquieren un dominio de cómo aplicar los principios en lugar de cómo simplificar una fórmula general. Al observar que los principios de la ciencia se basan en observaciones experimentales, todas las deducciones que se presentan en este libro se basan en argumentos físicos, por lo tanto son fáciles de seguir y comprender. AMPLIO USO DE IMÁGENES 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 gráficos: contiene más figuras e ilustraciones que ningún otro libro de esta categoría. Además, se han mejorado una gran cantidad de figuras para volverlas tridimensionales y, por lo tanto, más realistas. Las figuras atraen la atención y estimulan la curiosidad y el interés. La mayoría de las figuras sirven como un medio para enfatizar conceptos importantes que de otra forma pasarían inadvertidos, mientras que otras se utilizan como resúmenes de párrafos. El famoso personaje de la historieta “Blondie” (en español conocido como Lorenzo Parachoques, de la tira cómica “Lorenzo y Pepita”) se usa para resaltar con humor algunos puntos clave, así como para romper el hielo y relajar la tensión. ¿Quién dice que el estudio de la termodinámica no puede ser divertido? www.elsolucionario.net xxii PREFACIO OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Y RESÚMENES Los capítulos comienzan con una descripción general del material que se estudiará y con los objetivos de aprendizaje específicos. Al final de cada capítulo se incluye un resumen que proporciona una revisión rápida de los conceptos básicos y relaciones importantes enfatizando la importancia del material. NUMEROSOS EJEMPLOS DE EJERCICIOS CON UN PROCEDIMIENTO SISTEMÁTICO PARA RESOLVERLOS Cada capítulo contiene varios ejemplos de ejercicios que esclarecen el material e ilustran el uso de los principios básicos. En la resolución de los problemas de ejemplo se utilizó un enfoque intuitivo y sistemático. En primer término, se enuncia el problema y se identifican los objetivos. Después, se establecen las suposiciones junto con sus justificaciones. En forma separada, se enlistan las propiedades necesarias para resolver el problema, si así lo amerita. Se utilizan valores numéricos en conjunto con sus unidades para enfatizar que si los primeros carecen de las segundas no tienen ningún significado, y que la manipulación de éstas es tan importante como la manipulación de aquéllos mediante el uso de la calculadora. Una vez que se llega a la solución, se analiza el significado del valor que se obtuvo. Este método se utiliza también de manera consistente en las resoluciones que se presentan en el manual de respuestas del profesor. UNA GRAN CANTIDAD DE PROBLEMAS REALES AL FINAL DE CADA CAPÍTULO Los problemas que se incluyen al final de cada capítulo están agrupados bajo temas específicos a fin de hacer que la selección de problemas sea más fácil 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 comprensión del estudiante sobre conceptos básicos. Los problemas que se agrupan en el apartado Problemas de repaso son de naturaleza más completa y no están relacionados directamente con alguna sección específica de determinado capítulo (en algunos casos requieren la revisión del material que se aprendió en los capítulos anteriores). Los del apartado Diseño y ensayo tienen como objetivo alentar a los estudiantes a elaborar juicios sobre ingeniería, conducir la investigación independiente de temas de interés y comunicar sus descubrimientos de manera profesional. Los problemas identificados con la letra “E” están en unidades inglesas, por lo que los usuarios pueden del SI pueden ignorarlos. Los problemas marcados con el ícono resolverse utilizando el software Engineer Equation Solver (EES) u otro similar. Varios problemas relacionados con la economía y la seguridad se incorporan a lo largo del libro para reforzar entre los estudiantes de ingeniería la conciencia acerca del costo y la seguridad. Las respuestas a algunos problemas seleccionados se enumeran inmediatamente después de la descripción de los mismos para mayor comodidad. Además, con el fin de preparar a los estudiantes para el examen sobre fundamentos de ingeniería (que cada vez cobra mayor importancia en el criterio de selección del ABET 2000) y para facilitar los exámenes de opción múltiple, se incluyeron más de 200 problemas de opción múltiple en los diferentes apartados de los problemas que se hallan al final de cada capítulo. Dichos problemas están identificados bajo el título Problemas para el examen sobre fundamentos de ingeniería (FI) a fin de que sean reconocibles fácilmente. El objetivo de estos problemas es verificar la comprensión de los fundamentos y ayudar a los lectores a evitar que incurran en errores comunes. www.elsolucionario.net xxiii PREFACIO CONVENCIÓN DE SIGNOS Se renuncia al uso de una convención de signos formal para calor y trabajo debido a que a menudo puede ser contraproducente. Se adopta un método físicamente significativo e interesante para crear interacciones en lugar de un método mecánico. Los subíndices “entrada” y “salida” se emplean en lugar de los signos más y menos con el fin de señalar las direcciones de las interacciones. FÓRMULAS FÍSICAMENTE SIGNIFICATIVAS Se usan las formas físicamente significativas de las ecuaciones de balance en lugar de las fórmulas, a fin de fomentar una comprensión más profunda y evitar un método del tipo “receta de cocina”. Los balances de masa, energía, entropía y exergía para cualquier sistema que experimenta cualquier proceso se expresan como sigue Balance de masa: mentrada msalida Balance de energía: E entrada E salida ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭ Transferencia neta de energía por calor, trabajo y masa Cambio en la energía interna, cinética, potencial, etc. Sgen ¢ Ssistema ⎫ ⎬ ⎭ ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭ Transferencia neta de entropía por calor, trabajo y masa Generación entrópica Cambio en la entropía Xeliminado ¢ Xsistema ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭ ⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭ Xentrada Ssalida ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ Balance de exergía: Sentrada ¢ E sistema ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ Balance de entropía: ¢ msistema Xsalida Transferencia neta de exergía por calor, trabajo y masa Destrucción de exergía Cambio de exergía Estas relaciones reafirman que durante un proceso real la masa y la energía se conservan, la entropía se genera y la exergía se destruye. Se invita a los estudiantes a que usen estas formas de balance en los primeros capítulos después de que especifiquen el sistema y las simplifiquen para cada problema en particular. Un método mucho más relajado se emplea en los capítulos posteriores a medida que los estudiantes van adquiriendo un mayor dominio. LA SELECCIÓN DE UNIDADES SI O EN UNIDADES INGLESAS Como un reconocimiento al hecho de que las unidades inglesas aún se usan ampliamente en algunas industrias, en el libro se emplean tanto unidades SI como inglesas, haciendo énfasis en el SI. El contenido se puede cubrir usando la combinación de unidades SI e inglesas o únicamente las del SI, de acuerdo con la preferencia del profesor. Las gráficas y tablas de propiedades en los apéndices se presentan en ambas unidades, excepto en aquellas que implican cantidades dimensionales. Los problemas, tablas y gráficas en unidades inglesas están identificados con la letra “E”, colocado después del número con la finalidad de que sea sencillo reconocerlos; asimismo, los usuarios del sistema SI pueden ignorarlos sin ningún problema. TEMAS DE INTERÉS ESPECIAL La mayoría de los capítulos contienen una sección llamada “Tema de interés especial”, en la que se analizan algunos aspectos interesantes de la termodinámica. Ejemplos de ello son Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos, que aparece en el capítulo 4; Refrigeradores domésticos, del 6; Aspectos cotidianos de la segunda ley, del 8, y Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez, del capítulo 9. Los temas seleccionados para esta sección ofrecen extensiones verdaderamente intrigantes sobre termodinámica, sin embargo, si se desea pueden omitirse sin que esto represente una pérdida de continuidad. www.elsolucionario.net xxiv PREFACIO GLOSARIO DE TÉRMINOS TERMODINÁMICOS A lo largo de todos los capítulos, cuando se presenta y define un término o concepto de fundamental importancia, éste aparece en negr itas. FACTORES DE CONVERSIÓN Los factores de conversión y las constantes físicas de uso frecuente se listan en las páginas de las cubiertas interiores del texto para que sean una referencia fácil de usar. MATERIALES DE APOYO Esta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseñanza-aprendizaje, así como la evaluación de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener más información y conocer la política de entrega de estos materiales, contacte a su representante McGraw-Hill. AGRADECIMIENTOS Los autores desean reconocer, con aprecio, los numerosos y valiosos comentarios, sugerencias, críticas constructivas y elogios por parte de los siguientes evaluadores y revisores: Ralph Aldredge University of California–Davis 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 Carolina–Charlotte Afshin J. Ghajar Oklahoma State University Daniel K. Harris Auburn University Jerre M. Hill University of North Carolina–Charlotte Shoeleh Di Julio California State University–Northridge www.elsolucionario.net Gunol Kojasoy University of Wisconsin–Milwaukee 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 California–Los Angeles Subrata Roy Kettering University Brian Savilonis Worcester Polytechnic Institute Kamran Siddiqui Concordia University Robert Spall Utah State University Israel Urieli Ohio University xxv PREFACIO Sus sugerencias ayudaron mucho a mejorar la calidad de este texto. En particular quisiéramos expresar nuestra gratitud a Mehmet Kanoglu, de University of Gaziantep, Turquía, por sus valiosas contribuciones, su revisión crítica del manuscrito y su especial atención a la exactitud y al detalle. También quisiéramos agradecer a nuestros alumnos, de quienes conocimos gran cantidad de retroalimentación, de acuerdo con sus perspectivas. Por último, deseamos expresar nuestro aprecio a nuestras esposas, Zehra Çengel y Sylvia Boles, así como a nuestros hijos, por su persistente paciencia, comprensión y apoyo durante la preparación de este texto. Yunus A. Çengel Michael A. Boles www.elsolucionario.net www.elsolucionario.net
