termodinamica - yunus a. cengel

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TERMODINMICA

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TERMODINMICAQUINTA EDICIN

YUNUS A. ENGELUniversity of Nevada, Reno

MICHAEL A. BOLESNorth Carolina State University

Traduccin

Carlos Roberto Cordero PedrazaCatedrtico

Secretara de Marina y Armada de Mxico, CESNAV

Norma Anglica Moreno ChvezTraductora profesional

Revisin tcnica

Javier Len CrdenasJefe del Departamento de Ingeniera Mecnica

Escuela de IngenieraUniversidad La Salle, Mxico

MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALALISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO

AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHISAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO

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Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosDirector editorial: Ricardo A. del Bosque AlaynEditor sponsor: Pablo Eduardo Roig VzquezEditora de desarrollo: Paula Montao GonzlezSupervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

TERMODINMICAQuinta edicin

Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.

DERECHOS RESERVADOS 2006, respecto a la segunda edicin en espaol porMcGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre APiso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D.F.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736

Imagen de portada: Jeff Turnau/CORBIS

ISBN 970-10-5611-6

Traducido de la quinta edicin de: THERMODYNAMICS. AN ENGINEERING APPROACH.Copyright MMVI by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.Previous editions 1989, 1994, 1998, and 2002.

0-07-288495-9

1234567890 09875432106

Impreso en Mxico Printed in Mexico

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No hay nada ms horroroso que la ignorancia en accin.Goethe

La sociedad que desprecia la excelencia de la plomera por ser una actividadhumilde y tolera la falsedad de la filosofa porque es una actividad excelsa,

no poseer una buena plomera ni una buena filosofa. Ni sus tuberas ni sus teoras conservarn el agua.

John Gardner

La integridad sin conocimiento es dbil e intil, mientras que el conocimiento sin integridad es peligroso y horrible.

Samuel Jackson

La preocupacin por el hombre y su destino siempre debe ser el inters primordial de todo esfuerzo tcnico.

Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones.Albert Einstein

La semejanza mutua es origen de la contradiccin; la congruencia es la base de la solidaridad; la pequeez de carcter es la fuente de la arrogancia;

la debilidad es la fuente del orgullo; la impotencia es el origen de la oposicin, y la curiosidad es el maestro del conocimiento.

Said Nursi

Todo el arte de la enseanza est despertando la curiosidad natural de las mentes jvenes.

Anatole France

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

Nadie lo sabr, excepto t. Sin embargo, debes vivir contigo mismo y siempre es mejor vivir con alguien que respetes,

ya que el respeto engendra confianza.Jerome Weidman

Un hbito es como un cable, tejemos un hilo de l todos los das y al final no podemos romperlo.

Horace Mann

El genio es el uno por ciento inspiracin y noventa y nueve por ciento transpiracin.

Thomas A. Edison

Aquel que deja de ser mejor, deja de ser bueno.Oliver Cromwell

Cuando llamas misteriosa a una cosa significa que no la has comprendido.

Lord Kelvin

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SOBRE LOS AUTORES

viii |

Yunus A. engel es profesor emrito de Ingeniera Mecnica de la Uni-versidad de Nevada, Reno. Realiz su licenciatura en Ingeniera Mecnica enla Universidad Tcnica de Estambul y su maestra y doctorado en IngenieraMecnica en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Sus reas de inves-tigacin son energa renovable, desalinizacin, anlisis de exerga y conserva-cin de la energa. De 1996 a 2000 trabaj como director del IndustrialAssessment Center (IAC) en la Universidad de Nevada. Ha llevado equiposde estudiantes de Ingeniera a varias instalaciones industriales en el norte deNevada y California para realizar evaluaciones industriales, y ha elaboradoinformes sobre conservacin de la energa, minimizacin de desperdicios ymejoras en la productividad.

El Dr. engel es coautor de libros de texto ampliamente aceptados comoFundamentals of Thermal-Fluid Sciences, segunda edicin (2005) y FluidMechanics: Fundamentals and Applications (2006), ambos publicados porMcGraw-Hill. Tambin es autor del libro Heat Transfer: A practical Ap-proach, segunda edicin (2003), tambin publicado por McGraw-Hill. Algu-nos de sus libros han sido traducidos al chino, japons, coreano, espaol,portugus, turco, italiano y griego.

El Dr. engel ha recibido varios premios como maestro destacado y tantoen 1992 como en 2000 recibi el Premio al Autor Distinguido Meriam/Wileyde la ASEE por su excelencia como autor. Adems, es un ingeniero profesio-nal titulado en el estado de Nevada y pertenece a la American Society of Me-chanical Engineers (ASME), as como a la American Society for EngineeringEducation (ASEE).

Michael A. Boles es un distinguido profesor adjunto de Ingeniera Mec-nica y Aeroespacial en la Universidad de Carolina del Norte, donde obtuvo sudoctorado en Ingeniera Mecnica. El doctor Boles ha recibido numerosospremios y menciones por su excelencia como educador en Ingeniera. Leotorgaron el Premio de Educacin Ralph R. Teetor de la SAE y ha sido elegi-do dos veces para la Academia NCSU de Profesores Destacados. En variasocasiones, la seccin de estudiantes de la ASME lo ha reconocido como pro-fesor destacado y como el miembro de la facultad que tiene ms impacto enlos estudiantes de Ingeniera Mecnica.

El Dr. Boles se especializa en la transferencia de calor y ha participado en lasolucin analtica y numrica del cambio de fase y el secado de medios poro-sos. Es miembro de la American Society of Mechanical Engineers (ASME),de la American Society for Engineering Education (ASEE) y de Sigma Xi.Tambin recibi en 1992 el Premio al Autor Distinguido Meriam/Wiley de laASEE por su excelencia como autor.

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CONTENIDO BREVE

| ix

Captulo 11CICLOS DE REFRIGERACIN | 607

Captulo 12RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS | 651

Captulo 13MEZCLAS DE GASES | 681

Captulo 14MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 717

Captulo 15REACCIONES QUMICAS | 751

Captulo 16EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 793

Captulo 17FLUJO COMPRESIBLE | 823

Apndice 1TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES SI)) | 883

Apndice 2TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) | 933

Captulo 1INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS | 1

Captulo 2ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISIS GENERAL DE LA ENERGA | 51

Captulo 3PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS | 111

Captulo 4ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS | 165

Captulo 5ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE CONTROL | 219

Captulo 6LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA | 279

Captulo 7ENTROPA | 331

Captulo 8EXERGA: UNA MEDIDA DEL TRABAJOPOTENCIAL | 423

Captulo 9CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 487

Captulo 10CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 551

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| xi

Prefacio xix

Captulo 1INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS | 1

1-1 Termodinmica y energa 2reas de aplicacin de la termodinmica 3

1-2 Importancia de las dimensiones y unidades 3Algunas unidades SI e inglesas 6Homogeneidad dimensional 8Relaciones de conversin de unidades 9

1-3 Sistemas y volmenes de control 101-4 Propiedades de un sistema 12

Continuo 12

1-5 Densidad y densidad relativa 131-6 Estado y equilibrio 14

Postulado de estado 14

1-7 Procesos y ciclos 15Proceso de flujo estable 16

1-8 Temperatura y ley cero de la termodinmica 17Escalas de temperatura 17Escala de temperatura internacional de 1990

(ITS-90) 20

1-9 Presin 21Variacin de la presin con la profundidad 23

1-10 Manmetro 26Otros dispositivos de medicin de presin 29

1-11 Barmetro y presin atmosfrica 291-12 Tcnica para resolver problemas 33

Paso 1: enunciado del problema 33Paso 2: esquema 33Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34Paso 4: leyes fsicas 34Paso 5: propiedades 34Paso 6: clculos 34Paso 7: razonamiento, comprobacin y anlisis 34Paquetes de software de Ingeniera 35Programa para resolver ecuaciones de Ingeniera

(Engineering Equation Solver, EES) 36Observacin acerca de los dgitos

significativos 38

ContenidoResumen 39Referencias y lecturas recomendadas 39Problemas 40

Captulo 2ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISISGENERAL DE ENERGA | 51

2-1 Introduccin 522-2 Formas de energa 53

Algunas consideraciones fsicas en relacin con la energa interna 55

Ms sobre energa nuclear 56Energa mecnica 58

2-3 Transferencia de energa por calor 60Antecedentes histricos sobre el calor 61

2-4 Transferencia de energa por trabajo 62Trabajo elctrico 65

2-5 Formas mecnicas del trabajo 66Trabajo de flecha 66Trabajo de resorte 67Trabajo hecho sobre barras slidas elsticas 67Trabajo relacionado con el estiramiento

de una pelcula lquida 68Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68Formas no mecnicas del trabajo 69

2-6 La primera ley de la termodinmica 70Balance de energa 71Cambio de energa de un sistema , Esistema 72Mecanismos de transferencia de energa,

Eentrada y Esalida 73

2-7 Eficiencia en la conversin de energa 78Eficiencia de dispositivos mecnicos y elctricos 82

2-8 Energa y ambiente 86Ozono y smog 87Lluvia cida 88Efecto invernadero: calentamiento global

y cambio climtico 89

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

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xii | Contenido

Captulo 3PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS | 111

3-1 Sustancia pura 1123-2 Fases de una sustancia pura 1123-3 Procesos de cambio de fase

en sustancias puras 113Lquido comprimido y lquido saturado 114Vapor saturado y vapor sobrecalentado 114Temperatura de saturacin y presin de saturacin 115Algunas consecuencias de la dependencia

de Tsat y Psat 117

3-4 Diagramas de propiedades paraprocesos de cambio de fase 1181 Diagrama T-v 1182 Diagrama P-v 120Ampliacin de los diagramas para incluir la fase slida 1213 Diagrama P-T 124Superficie P-v-T 125

3-5 Tablas de propiedades 126Entalpa: una propiedad de combinacin 1261a Estados de lquido saturado

y de vapor saturado 1271b Mezcla saturada de lquido-vapor 1292 Vapor sobrecalentado 1323 Lquido comprimido 133Estado de referencia y valores de referencia 135

3-6 Ecuacin de estado de gas ideal 137El vapor de agua es un gas ideal? 139

3-7 Factor de compresibilidad, una medida de la desviacin del comportamiento de gas ideal 139

3-8 Otras ecuaciones de estado 144Ecuacin de estado de Van der Waals 144Ecuacin de estado de Beattie-Bridgeman 145Ecuacin de estado de Benedict-Webb-Rubin 145Ecuacin de estado virial 145

Tema de inters especial. Presin de vapor y equilibrio de fases 149

Resumen 153Referencias y lecturas recomendadas 154Problemas 154

Captulo 4ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS | 165

4-1 Trabajo de frontera mvil 166Proceso politrpico 171

4-2 Balance de energa para sistemas cerrados 173

4-3 Calores especficos 1784-4 Energa interna, entalpa y calores especficos

de gases ideales 180Relaciones de calores especficos

de gases ideales 182

4-5 Energa interna, entalpa y caloresespecficos de slidos y lquidos 189Cambios de energa interna 189Cambios de entalpa 189

Tema de inters especial. Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos 193


Captulo 5ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE CONTROL | 219

5-1 Conservacin de la masa 220Flujos msico y volumtrico 220Principio de conservacin de la masa 222Balance de masa para procesos de flujo estable 223Caso especial: flujo incompresible 224

5-2 Trabajo de flujo y energa de un fluido en movimiento 226Energa total de un fluido en movimiento 227Energa transportada por la masa 228

5-3 Anlisis de energa de sistemas de flujo estable 230

5-4 Algunos dispositivos de Ingeniera de flujo estable 2331 Toberas y difusores 2332 Turbinas y compresores 2363 Vlvulas de estrangulamiento 2394a Cmaras de mezclado 2404b Intercambiadores de calor 2425 Flujo en tuberas y ductos 244

5-5 Anlisis de procesos de flujo inestable 246Tema de inters especial. Ecuacin general de energa 252


Captulo 6LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA | 279

6-1 Introduccin a la segunda ley 2806-2 Depsitos de energa trmica 281

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Contenido | xiii

6-3 Mquinas trmicas 282Eficiencia trmica 283Es posible ahorrar Qsalida ? 285La segunda ley de la termodinmica:

enunciado de Kelvin-Planck 287

6-4 Refrigeradores y bombas de calor 287Coeficiente de desempeo 288Bombas de calor 289La segunda ley de la termodinmica:

enunciado de Clausius 292Equivalencia de los dos enunciados 292

6-5 Mquinas de movimiento perpetuo 2936-6 Procesos reversibles e irreversibles 296

Irreversibilidades 297Procesos internamente y externamente reversibles 298

6-7 El ciclo de Carnot 299Ciclo de Carnot inverso 301

6-8 Principios de Carnot 3016-9 Escala termodinmica de temperatura 3036-10 La mquina trmica de Carnot 305

Calidad de la energa 307Cantidad contra calidad en la vida diaria 308

6-11 El refrigerador de Carnot y la bomba de calor 309Tema de inters especial. Refrigeradoresdomsticos 311


Captulo 7ENTROPA | 331

7-1 Entropa 332Caso especial: procesos isotrmicos de transferencia

de calor internamente reversibles 334

7-2 El principio del incremento de entropa 335Algunos comentarios sobre la entropa 337

7-3 Cambio de entropa de sustancias puras 3397-4 Procesos isentrpicos 3437-5 Diagramas de propiedades que involucran

a la entropa 3447-6 Qu es la entropa? 346

La entropa y la generacin de entropa en la vida diaria 348

7-7 Las relaciones T ds 3507-8 Cambio de entropa de lquidos y slidos 3517-9 Cambio de entropa de gases ideales 354

Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 355Calores especficos variables (anlisis exacto) 356Proceso isentrpico de gases ideales 358

Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 358Calores especficos variables (anlisis exacto) 359Presin relativa y volumen especfico relativo 359

7-10 Trabajo reversible en flujo estable 362Demostracin de que los dispositivos de flujo estable

entregan el mximo trabajo y consumen el mnimo cuando el proceso es reversible 365

7-11 Minimizacin del trabajo del compresor 366Compresin por etapas mltiples

con interenfriamiento 367

7-12 Eficiencias isentrpicas de dispositivosde flujo estable 370Eficiencia isentrpica de turbinas 371Eficiencias isentrpicas de compresores y bombas 373Eficiencia isentrpica de toberas 375

7-13 Balance de entropa 377Cambio de entropa de un sistema, S sistema 378Mecanismos de transferencia de entropa,

Sentrada y Ssalida 3781 Transferencia de calor 3782 Flujo msico 379Generacin de entropa , Sgen 380Sistemas cerrados 381Volmenes de control 381Generacin de entropa asociada con un proceso

de transferencia de calor 389

Tema de inters especial. Reduccin del costo del aire comprimido 391


Captulo 8EXERGA: UNA MEDIDA DEL TRABAJO POTENCIAL | 423

8-1 Exerga: potencial de trabajo de la energa 424Exerga (potencial de trabajo) asociado

con la energa cintica y potencial 425

8-2 Trabajo reversible e irreversibilidad 4278-3 Eficiencia de la segunda ley, hII 4328-4 Cambio de exerga de un sistema 434

Exerga de una masa fija: exerga sin flujo (o de sistema cerrado) 435

Exerga de una corriente de fluido: exerga de flujo (o corriente) 437

8-5 Transferencia de exerga por calor,trabajo y masa 440Transferencia de exerga por calor, Q 440Transferencia de exerga por trabajo, W 442Transferencia de exerga por masa, m 442

8-6 Principio de disminucin de exerga y destruccin de exerga 443Destruccin de exerga 444

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8-7 Balance de exerga: sistemas cerrados 444

8-8 Balance de exerga: volmenes de control 457Balance de exerga para sistemas de flujo

estable 458Trabajo reversible, W rev 459Eficiencia de la segunda ley para dispositivos

de flujo estable, hII 459

Tema de inters especial. Aspectos cotidianos de la segunda ley 465


Captulo 9CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 487

9-1 Consideraciones bsicas para el anlisis de los ciclos de potencia 488

9-2 El ciclo de Carnot y su valor en ingeniera 490

9-3 Suposiciones de aire estndar 4929-4 Breve panorama de las mquinas

reciprocantes 4939-5 Ciclo de Otto: el ciclo ideal para las mquinas

de encendido por chispa 4949-6 Ciclo diesel: el ciclo ideal para las mquinas

de encendido por compresin 5009-7 Ciclos Stirling y Ericsson 5039-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motores

de turbina de gas 507Desarrollo de las turbinas de gas 510Desviacin de los ciclos reales de turbina de gas

en comparacin con los idealizados 513

9-9 Ciclo Brayton con regeneracin 5159-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento,

recalentamiento y regeneracin 5179-11 Ciclos ideales de propulsin

por reaccin 521Modificaciones para motores de turborreactor 525

9-12 Anlisis de la segunda ley de ciclos de potencia de gas 527Tema de inters especial. Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez 530


xiv | Contenido

Captulo 10CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 551

10-1 El ciclo de vapor de Carnot 55210-2 Ciclo Rankine: el ciclo ideal para

los ciclos de potencia de vapor 553Anlisis de energa del ciclo Rankine ideal 554

10-3 Desviacin de los ciclos de potencia de vaporreales respecto de los idealizados 557

10-4 Cmo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 560Reduccin de la presin del condensador

(reduccin Tbaja,prom) 560Sobrecalentamiento del vapor a altas

temperaturas (incremento Talta,prom) 561Incremento de la presin de la caldera

(incremento Talta,prom) 561

10-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 56410-6 El ciclo Rankine ideal regenerativo 568

Calentadores abiertos de agua de alimentacin 568Calentadores cerrados de agua de alimentacin 570

10-7 Anlisis de la segunda ley en ciclos de potencia de vapor 576

10-8 Cogeneracin 57810-9 Ciclos de potencia combinados

de gas y vapor 583Tema de inters especial. Ciclos binarios de vapor 586


Captulo 11CICLOS DE REFRIGERACIN | 607

11-1 Refrigeradores y bombas de calor 60811-2 El ciclo invertido de Carnot 60911-3 El ciclo ideal de refrigeracin

por compresin de vapor 61011-4 Ciclo real de refrigeracin

por compresin de vapor 61411-5 Seleccin del refrigerante adecuado 61611-6 Sistemas de bombas de calor 61811-7 Sistemas innovadores de refrigeracin

por compresin de vapor 620Sistemas de refrigeracin en cascada 620Sistemas de refrigeracin por compresin

de mltiples etapas 623

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Contenido | xv

Sistemas de refrigeracin de propsito mltiplecon un solo compresor 625

Licuefaccin de gases 626

11-8 Ciclos de refrigeracin de gas 62811-9 Sistemas de refrigeracin

por absorcin 631Tema de inters especial. Generacin de potenciatermodinmica y sistemas de refrigeracin 634


Captulo 12RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS | 651

12-1 Un poco de matemticas: derivadas parciales y relaciones asociadas 652Diferenciales parciales 653Relaciones de derivadas parciales 655

12-2 Relaciones de Maxwell 65612-3 La ecuacin de Clapeyron 65812-4 Relaciones generales para du, dh, ds,

cv y cp 661Cambios en la energa interna 661Cambios de entalpa 662Cambios de entropa 663Calores especficos cv y cp 664

12-5 El coeficiente Joule-Thomson 66812-6 Las h, u y s de gases reales 669

Cambios en la entalpa de gases reales 670Cambios de energa interna de gases ideales 671Cambios de entropa de gases reales 671


Captulo 13MEZCLAS DE GASES | 681

13-1 Composicin de una mezcla de gases:fracciones molares y de masa 682

13-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 684Mezclas de gases ideales 685Mezclas de gases reales 685

13-3 Propiedades de mezclas de gases:gases ideales y reales 689Mezclas de gases ideales 690Mezclas de gases reales 693

Tema de inters especial. Potencial qumico y el trabajo de separacin de mezclas 697


Captulo 14MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 717

14-1 Aire seco y aire atmosfrico 71814-2 Humedad especfica y relativa del aire 71914-3 Temperatura de punto de roco 72114-4 Temperaturas de saturacin

adiabtica y de bulbo hmedo 72314-5 La carta psicromtrica 72614-6 Comodidad humana y acondicionamiento

de aire 72714-7 Procesos de acondicionamiento de aire 729

Calentamiento y enfriamiento simple (v constante) 730Calentamiento con humidificacin 731Enfriamiento con deshumidificacin 732Enfriamiento evaporativo 734Mezcla adiabtica de corrientes de aire 735Torres de enfriamiento hmedas 737


Captulo 15REACCIONES QUMICAS | 751

15-1 Combustibles y combustin 75215-2 Procesos de combustin terica y real 75615-3 Entalpa de formacin y entalpa

de combustin 76215-4 Anlisis de la primera ley de sistemas

reactivos 765Sistemas de flujo estable 765Sistemas cerrados 767

15-5 Temperatura de flama adiabtica 77015-6 Cambio de entropa de sistemas reactivos 77315-7 Anlisis de segunda ley de sistemas

reactivos 775Temas de inters especial. Celdas de combustible 780


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Captulo 16EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 793

16-1 Criterio para el equilibrio qumico 79416-2 La constante de equilibrio para mezclas

de gases ideales 79616-3 Algunas observaciones respecto a la KP

de las mezclas de gases ideales 79916-4 Equilibrio qumico para reacciones

simultneas 80416-5 Variacin de KP con la temperatura 80616-6 Equilibrio de fase 808

Equilibrio de fase para un sistema de un solo componente 808

La regla de la fase 809Equilibrio de fase para un sistema

multicomponente 810


Captulo 17 FLUJO COMPRESIBLE | 823

17-1 Propiedades de estancamiento 82417-2 Velocidad del sonido y nmero

de Mach 82717-3 Flujo isentrpico en una dimensin 829

Variacin de la velocidad del fluido con el rea de flujo 832

Relaciones de propiedades para el flujo isentrpico de gases ideales 834

17-4 Flujo isentrpico a travs de toberas 836Toberas convergentes 836Toberas convergentes-divergentes 841

17-5 Ondas de choque y ondas de expansin 845Choques normales 845Choques oblicuos 852Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 856

17-6 Flujo en un ducto con transferencia de calor y con friccin insignificante (flujo de Rayleigh) 860Relaciones de propiedades para flujos

de Rayleigh 866Flujo de Rayleigh estrangulado 867

17-7 Toberas de vapor 869Resumen 872Referencias y lecturas recomendadas 873Problemas 874

xvi | Contenido

Apndice 1TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURASY DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 883

Tabla A-1 Masa molar, constante de gas ypropiedades del punto crtico 884

Tabla A-2 Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 885

Tabla A-3 Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 888

Tabla A-4 Agua saturada. Tabla de temperaturas 890

Tabla A-5 Agua saturada. Tabla de presiones 892Tabla A-6 Vapor de agua sobrecalentado 894Tabla A-7 Agua lquida comprimida 898Tabla A-8 Hielo saturado. Vapor de agua 899Figura A-9 Diagrama T-s para el agua 900Figura A-10 Diagrama de Mollier para

el agua 901Tabla A-11 Refrigerante 134a saturado. Tabla

de temperatura 902Tabla A-12 Refrigerante 134a saturado. Tabla

de presin 904Tabla A-13 Refrigerante 134a sobrecalentado 905Figura A-14 Diagrama P-h para

refrigerante 134a 907Figura A-15 Grfica generalizada de compresibilidad

de Nelson-Obert 908Tabla A-16 Propiedades de la atmsfera a gran

altitud 909Tabla A-17 Propiedades de gas ideal del aire 910Tabla A-18 Propiedades de gas ideal del nitrgeno,

N2 912Tabla A-19 Propiedades de gas del oxgeno,

O2 914Tabla A-20 Propiedades de gas ideal del dixido

de carbono, CO2 916Tabla A-21 Propiedades de gas ideal del monxido

de carbono, CO 918Tabla A-22 Propiedades de gas ideal del hidrgeno,

H2 920Tabla A-23 Propiedades de gas ideal del vapor

de agua, H2O 921Tabla A-24 Propiedades de gas ideal del oxgeno

monoatmico, O 923Tabla A-25 Propiedades de gas ideal del hidroxilo,

OH 923

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Contenido | xvii

Tabla A-26 Entalpa de formacin, funcin de Gibbsde formacin y entropa absoluta a 25C,1 atm 924

Tabla A-27 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 925

Tabla A-28 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp 926

Figura A-29 Grfica generalizada de desviacin de entalpa 927

Figura A-30 Grfica generalizada de desviacin de entropa 928

Figura A-31 Grfica psicromtrica a 1 atm de presintotal 929

Tabla A-32 Funciones unidimensionales isentrpicasde flujo compresible para un gas idealcon k 1.4 930

Tabla A-33 Funciones unidimensionales dechoque normal de un gas ideal con k 1.4 931

Tabla A-34 Funciones del flujo de Rayleigh para ungas ideal con k 1.4 932

Apndice 2TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS(UNIDADES INGLESAS) | 933

Tabla A-1E Masa molar, constante de gas ypropiedades del punto crtico 934

Tabla A-2E Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 935

Tabla A-3E Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 938

Tabla A-4E Agua saturada. Tabla de temperaturas 940

Tabla A-5E Agua saturada. Tabla de presiones 942

Tabla A-6E Vapor de agua sobrecalentado 944Tabla A-7E Agua lquida comprimida 948Tabla A-8E Hielo saturado. Vapor de agua 949Figura A-9E Diagrama T-s para el agua 950Figura A-10E Diagrama de Mollier para el agua 951Tabla A-11E Refrigerante 134a saturado. Tabla

de temperatura 952Tabla A-12E Refrigerante 134a saturado. Tabla

de presin 953Tabla A-13E Refrigerante 134a sobrecalentado 954Figura A-14E Diagrama P-h para refrigerante

134a 956Tabla A-16E Propiedades de la atmsfera a gran

altitud 957Tabla A-17E Propiedades de gas ideal del aire 958Tabla A-18E Propiedades de gas ideal del nitrgeno,

N2 960Tabla A-19E Propiedades de gas ideal del oxgeno,

O2 962Tabla A-20E Propiedades de gas ideal del dixido

de carbono, CO2 964Tabla A-21E Propiedades de gas ideal del monxido

de carbono, CO 966Tabla A-22E Propiedades de gas ideal del hidrgeno,

H2 968Tabla A-23E Propiedades de gas ideal del vapor

de agua, H2O 969Tabla A-26E Entalpa de formacin, funcin de Gibbs

de formacin y entropa absoluta a 77C,1 atm 971

Tabla A-27E Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 972

Figura A-31E Grfica psicromtrica a 1 atm de presin total 973

ndice 975

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ANTECEDENTES La termodinmica es una materia excitante y fascinante que trata sobre laenerga, la cual es esencial para la conservacin de la vida mientras que latermodinmica ha sido por mucho tiempo una parte fundamental de los pro-gramas de estudio de ingeniera en todo el mundo. Ciencia que tiene una am-plia aplicacin que va desde los organismos microscpicos hasta loselectrodomsticos, los vehculos de transporte, los sistemas de generacin deenerga elctrica e incluso la filosofa. Este libro contiene suficiente materialpara dos cursos consecutivos de termodinmica y se supone que los estudian-tes poseen antecedentes slidos en fsica y clculo.

OBJETIVOS Esta obra est pensada para ser utilizada por los estudiantes como libro detexto durante los ltimos aos de su licenciatura y por ingenieros expertoscomo libro de referencia. Los objetivos de esta obra son:

Cubrir los principios bsicos de la termodinmica. Presentar una vasta cantidad de ejemplos reales de ingeniera con la

finalidad de proporcionar al estudiante una idea de cmo se aplica latermodinmica en la prctica de la ingeniera.

Desarrollar una comprensin intuitiva de la termodinmica haciendonfasis en la fsica y en los argumentos fsicos.

Se desea sobre todo que este libro, a travs de las claras explicaciones quecontiene sobre conceptos y uso de numerosos ejemplos prcticos y figuras,ayude a los estudiantes a desarrollar las habilidades bsicas para llenar elespacio que existe entre el conocimiento y la confianza para aplicar ade-cuadamente tal aprendizaje.

FILOSOFA Y OBJETIVOLa filosofa que contribuy a la enorme popularidad que gozaron anterioresediciones de esta obra se ha conservado intacta en esta nueva edicin. En par-ticular, el objetivo ha sido proporcionar un libro de Ingeniera que

Llegue directamente y de una manera simple pero precisa a la mentede los futuros ingenieros.

Conduzca a los estudiantes hacia una comprensin clara y un conoci-miento firme de los principios bsicos de la termodinmica.

Fomente el pensamiento creativo y el desarrollo de una compresinms profunda y un conocimiento intuitivo sobre la materia.

Sea ledo por los estudiantes con inters y entusiasmo en vez de que seutilice como una ayuda en la resolucin de problemas.

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Se ha hecho un esfuerzo especial para atraer la curiosidad natural de loslectores y ayudar a los estudiantes a explorar las diversas facetas del emocio-nante tema de la termodinmica. La respuesta entusiasta que hemos recibidopor parte de los usuarios de ediciones anteriores desde pequeos colegioshasta grandes universidades indica que nuestros objetivos se han alcanzadoen buena parte. Nuestra filosofa ha sido que la mejor forma de aprender es atravs de la prctica, por lo tanto se ha realizado un esfuerzo especial a lo lar-go de todo el libro para reforzar el material que se present en ediciones an-teriores.

Antes, los ingenieros pasaban una gran parte de su tiempo sustituyendo va-lores en las frmulas y obteniendo resultados numricos, sin embargo, ahorala manipulacin de frmulas y el procesamiento de datos numricos se reser-van principalmente a las computadoras. El ingeniero del maana deber teneruna comprensin clara y conocimientos firmes sobre los principios bsicosde modo que pueda comprender incluso los problemas ms complejos, for-mularlos e interpretar los resultados. Nos esforzamos por enfatizar estos prin-cipios bsicos y adems ofrecemos a los estudiantes un panorama del uso quese da a las computadoras en la prctica de la Ingeniera.

En todo el libro se ha utilizado el enfoque tradicional clsico o macrosc-pico con argumentos microscpicos que juegan un papel de soporte. Este en-foque est ms en lnea con la intuicin de los estudiantes y hace mucho msfcil el aprendizaje de la materia.

LO NUEVO EN ESTA EDICINTodas las caractersticas conocidas de las ediciones anteriores se conservanen sta y adems se aaden nuevas. Exceptuando la reorganizacin del trata-miento de la primera ley y la actualizacin de las propiedades del vapor y delrefrigerante, el cuerpo principal del texto permanece en su mayor parte sinmodificaciones. Los cambios ms importantes en esta quinta edicin se desta-can enseguida.

PRESENTACIN TEMPRANA DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICALa primera ley de la termodinmica se presenta ahora en esta edicin al prin-cipio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y anlisis general de laenerga. Este captulo introductorio conforma el marco para establecer unacomprensin general de las diferentes formas de la energa, los mecanismospara la transferencia de energa, el concepto de balance de energa, la econo-ma termodinmica, la conversin de energa y la eficiencia de conversin,mediante el uso de escenarios familiares dentro de los que se incluyen formasde energa elctrica y mecnica, principalmente. Asimismo, en las primerasetapas del curso se expone para los estudiantes algunas formidables aplica-ciones de la termodinmica en la vida real y les ayuda a crear conciencia delvalor econmico de la energa.

TRATAMIENTO INDEPENDIENTE DE LOS SISTEMAS CERRADOS Y ANLISIS DE ENERGA DE VOLMENES DE CONTROLEl anlisis de energa de los sistemas cerrados se presenta en esta edicin enun captulo independiente, el cuarto, junto con el trabajo de frontera y el an-lisis de los calores especficos tanto de gases ideales como de sustancias in-compresibles. El tema de la conservacin de la masa se aborda en conjuntocon el de la conservacin de la energa en el captulo 5, en el cual tambin sepresenta una deduccin formal de la ecuacin general de la energa en elapartado denominado Tema de inters especial.

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TRATAMIENTO REVISADO SOBRE EL FLUJO COMPRESIBLEEl captulo acerca del flujo compresible que aborda los efectos de la compresi-bilidad (ahora captulo 17) fue revisado y actualizado. Este captulo incluye lostemas de choques oblicuos y del flujo con transferencia de calor (flujo de Ray-leigh), con algunas fotografas y extensos anlisis sobre las ondas de choque.TABLAS ACTUALIZADAS DEL VAPOR Y DEL REFRIGERANTE 134ASe han actualizado las tablas del vapor y del refrigerante 134a mediante elempleo de datos del EES sobre propiedades ms recientes. Se han revisadolas tablas A-4 a la A-8 y de la A-11 a la A-13, as como las correspondientesen unidades inglesas. Todos los ejemplos y problemas que incluyen vapor orefrigerante 134a tambin fueron revisados con la finalidad de reflejar los pe-queos cambios en las propiedades de estas dos sustancias. Una ventaja adi-cional de esta actualizacin es que los estudiantes podrn obtener los mismosresultados al resolver problemas, ya sea utilizando las propiedades del vaporo del refrigerante presentadas en el EES o en las tablas de propiedades que seencuentran en los apndices.

MS DE 300 NUEVOS PROBLEMAS DE COMPRENSINEsta edicin incluye ms de 300 problemas de comprensin nuevos que pro-vienen en su mayor parte de aplicaciones industriales. Los problemas cuyasolucin requiere de investigaciones paramtricas y por lo tanto del uso deuna computadora se encuentran identificados con un cono de computadoraEES, como aparece en ediciones anteriores.

CAMBIOS DE CONTENIDO Y REORGANIZACINPara aquellos estudiantes familiarizados con las ediciones anteriores, los cam-bios ms importantes de los diferentes captulos se resumen a continuacin.

El captulo 1 se revis en su mayor parte y se modific el ttulo porIntroduccin y conceptos bsicos. Se aadi la seccin Densidad ygravedad especfica y la subseccin La escala internacional de tempe-raturas de 1990. Las secciones Formas de energa y Energa y medioambiente se trasladaron al nuevo captulo 2, mientras que el Tema deinters especial: aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos sepas al nuevo cuarto captulo

El nuevo captulo 2 Energa, transferencia de energa y anlisis gene-ral de la energa consiste en su mayor parte de las secciones Formasde energa y Energa y medio ambiente, pertenecientes al anterior cap-tulo 1; Transferencia de energa por calor, Transferencia de energapor trabajo y Formas mecnicas de energa, del captulo 3; La primeraley de la termodinmica del captulo 4, y de Eficiencias de la conver-sin de energa del quinto captulo. El Tema de inters especial delnuevo captulo 2 es Mecanismos de transferencia de calor, pertenecien-te al anterior tercer captulo.

El captulo 3 Propiedades de las sustancias puras es, en esencia, elcaptulo 2 de la edicin anterior, excepto en que las tres ltimas seccio-nes sobre calores especficos forman parte ahora del nuevo captulo 4.

El captulo 4 Anlisis de energa de sistemas cerrados est conforma-do por las secciones Trabajo de frontera en movimiento del anterior ca-ptulo 3, de Calores especficos del captulo 2 y de Balance de energade sistemas cerrados del cuarto. Asimismo, el Tema de inters espe-cial: aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos se trasladaqu del captulo 1.

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El captulo 5 Anlisis de masa y energa de volmenes de controlconsiste de las anteriores secciones Balance de masa de volmenes decontrol y Trabajo de flujo y energa de un fluido en movimiento, perte-necientes al captulo 3, as como de Balance de energa de sistemas deflujo establa y no establa del captulo 4. El Tema de inters especial:refrigeracin y congelacin de alimentos fue suprimido y reemplaza-do por la deduccin formal de la Ecuacin general de la energa.

El captulo 6 La segunda ley de la termodinmica es idntico al cap-tulo 5 de la edicin anterior, excepto por la seccin Eficiencias de laconversin de energa, la cual pas al nuevo captulo 2.

Los captulos del 7 al 15 son esencialmente idnticos a los anteriores,que van del 6 al 14, respectivamente.

El captulo 17 Flujo compresible es una versin actualizada del 16de la edicin anterior, ya que se revis en su mayor parte, se elimin laseccin Flujo a travs de toberas y difusores reales y se adicion unanueva seccin sobre Flujo en ductos con transferencia de calor y fric-cin insignificante (Flujo de Rayleigh).

En los apndices 1 y 2, las tablas del vapor y del refrigerante 134a (ta-blas 4 a 8 y 11 a 13) fueron revisadas en su totalidad, sin embargo, seconservaron los nmeros de tabla. Se actualizaron las tablas correspon-dientes a las funciones de flujo compresible isentrpico y a las funcio-nes de choque normal (tablas A-32 y A-33), y se incluyeron algunasgrficas de las funciones. Asimismo, se adicionaron las funciones del flujo de Rayleigh para establecer la tabla A-34. Se traslad el apn-dice 3, Introduccin al EES, al contenido del DVD titulado Recursospara el estudiante, que viene como un suplemento sin costo anexo allibro.

Se actualizaron los factores de conversin que se encuentran en las p-ginas interiores de ambas cubiertas y fueron revisados algunos smbo-los de la nomenclatura.

HERRAMIENTAS DE APRENDIZAJENFASIS EN LA FSICAUna caracterstica que distingue a este libro es el nfasis que se hace en losaspectos fsicos de la termodinmica adems de las representaciones y mani-pulaciones matemticas. Los autores creen que la educacin universitaria de-be seguir desarrollando un sentido de mecanismo fsico subyacente y unadestreza para resolver problemas prcticos que un ingeniero probablementedeber enfrentar en el mundo real. El desarrollo de una comprensin intuitivatambin lograr que el curso sea una experiencia ms placentera y valiosa pa-ra los estudiantes.

USO EFICIENTE DE LA ASOCIACINUna mente observadora no debe tener dificultades para comprender las cien-cias de la ingeniera. Despus de todo, los principios de estas ciencias se ba-san en experiencias cotidianas y observaciones experimentales. A lo largo dela obra se usar un enfoque intuitivo ms fsico y con frecuencia se realizansimilitudes entre el tema en cuestin y las experiencias diarias de los estu-diantes, de modo que puedan relacionar la materia estudiada con lo que sabende antemano. El proceso de cocinar, por ejemplo, sirve como un excelentevehculo para demostrar los principios bsicos de la termodinmica.

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AUTOAPRENDIZAJEEl material del texto se presenta en un nivel de complejidad tal que un estu-diante promedio pueda seguirlos sin tener ningn problema. Se dirige a losestudiantes, no pasa sobre ellos; de hecho, se presta para el autoaprendizaje.La secuencia de la cobertura del material va de lo simple a lo general. Es de-cir, comienza con el caso ms simple y agrega complejidad de forma gradual.De esta manera los conceptos bsicos se aplican repetidamente a sistemasdistintos, por lo que los estudiantes adquieren un dominio de cmo aplicarlos principios en lugar de cmo simplificar una frmula general. Al observarque los principios de la ciencia se basan en observaciones experimentales, to-das las deducciones que se presentan en este libro se basan en argumentos f-sicos, por lo tanto son fciles de seguir y comprender .

USO INTENSIVO DE IMGENESLas figuras son instrumentos importantes para el aprendizaje y permiten a losestudiantes darse una idea general. En el texto se hace un uso eficiente delos grficos: contiene ms figuras e ilustraciones que ningn otro libro de es-ta categora. Las figuras atraen la atencin y estimulan la curiosidad y el inte-rs. Algunas de las figuras sirven como un medio para enfatizar conceptosimportantes que de otra forma pasaran inadvertidos, mientras que otras seutilizan como resmenes de prrafos. El famoso personaje de la historietaBlondie (en espaol conocido como Lorenzo Parachoques, de la tira cmi-ca Lorenzo y Pepita) se usa para resaltar con humor algunos puntos clave,as como para romper el hielo y relajar la tensin. Quin dice que el estudiode la termodinmica no puede ser divertido?

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Y RESMENESLos captulos comienzan con una descripcin general del material que se es-tudiar y con los objetivos de aprendizaje especficos. Al final de cada captu-lo se incluye un resumen que proporciona una revisin rpida de los concep-tos bsicos y relaciones importantes enfatizando la importancia del material.

NUMEROSOS EJEMPLOS DE EJERCICIOS CON UN PROCEDIMIENTOSISTEMTICO PARA RESOLVERLOSCada captulo contiene varios ejemplos de ejercicios que esclarecen el materiale ilustran el uso de los principios bsicos. En la resolucin de los problemas deejemplo se utiliz un enfoque intuitivo y sistemtico, mientras que se conservun estilo informal de conversacin. En primer trmino se enuncia el problema yse identifican los objetivos. Despus, se establacen las suposiciones junto consus justificaciones. En forma separada, se enlistan las propiedades necesariaspara resolver el problema, si as lo amerita. Se utilizan valores numricos enconjunto con sus unidades para enfatizar que si los primeros carecen de las se-gundas no tienen ningn significado, y que la manipulacin de stas es tan im-portante como la manipulacin de aqullos mediante el uso de la calculadora.Una vez que se llega a la solucin, se analiza el significado del valor que se ob-tuvo. Este mtodo se utiliza tambin de manera consistente en las resolucionesque se presentan en el manual de respuestas del profesor.

UNA GRAN CANTIDAD DE PROBLEMAS REALES AL FINAL DE CADA CAPTULOLos problemas que se incluyen al final de cada captulo estn agrupados bajotemas especficos a fin de hacer que la seleccin de problemas sea ms fciltanto para el profesor como para el estudiante. En cada grupo de problemasse encuentran Preguntas de concepto, indicadas con la letra C, para verifi-car el nivel de comprensin del estudiante sobre conceptos bsicos. Los pro-

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blemas que se agrupan en el apartado Problemas de repaso son de naturalezams completa y no estn relacionados directamente con alguna seccin espe-cfica de determinado captulo (en algunos casos requieren la revisin del ma-terial que se aprendi en los captulos anteriores). Los del apartado Diseo yensayo tienen como objetivo alentar a los estudiantes a elaborar juicios sobreingeniera, conducir la investigacin independiente de temas de inters y co-municar sus descubrimientos de manera profesional. Los problemas identifi-cados con la letra E estn en unidades inglesas, por lo que los usuarios delSI pueden ignorarlos. Los problemas marcados con el cono se resuelvenutilizando el EES, y todas sus soluciones junto con los estudios paramtricosestn incluidos en el DVD anexo al libro. Los problemas marcados con elcono son de naturaleza ms completa y estn diseados para resolversepor medio de la computadora, de preferencia utilizando el software EES queacompaa al libro. Varios problemas relacionados con la economa y la segu-ridad se incorporan a lo largo del libro para reforzar entre los estudiantes deingeniera la conciencia acerca del costo y la seguridad. Las respuestas a al-gunos problemas seleccionados se enumeran inmediatamente despus de ladescripcin de los mismos para mayor comodidad. Adems, con el fin de pre-parar a los estudiantes para el examen sobre fundamentos de ingeniera (quecada vez cobra mayor importancia en el criterio de seleccin del ABET 2000)y para facilitar los exmenes de opcin mltiple, se incluyeron ms de 200problemas de opcin mltiple en los diferentes apartados de los problemasque se hallan al final de cada captulo. Dichos problemas estn identificadosbajo el ttulo Problemas para el examen sobre fundamentos de ingeniera(FI) a fin de que sean reconocibles fcilmente. El objetivo de estos problemases verificar la comprensin de los fundamentos y ayudar a los lectores a evi-tar que incurran en errores comunes.

UNA RELAJADA CONVENCIN DE SIGNOSSe renuncia al uso de una convencin de signos formal para calor y trabajo de-bido a que a menudo puede ser contraproducente. Se adopta un mtodo fsica-mente significativo e interesante para crear interacciones en lugar de un mto-do mecnico. Los subndices entrada y salida se emplean en lugar de lossignos ms y menos con el fin de sealar las direcciones de las interacciones.

FRMULAS FSICAMENTE SIGNIFICATIVASLas formas fsicamente significativas de las ecuaciones de balance se usan enlugar de las frmulas, a fin de fomentar una comprensin ms profunda yevitar un mtodo del tipo receta de cocina. Los balances de masa, energa,entropa y exerga para cualquier sistema que experimenta cualquier procesose expresan como sigue

Balance de masa:

Balance de energa:

Balance de entropa:

Balance de exerga:

Transferencia neta de energapor calor, trabajo y masa

Cambio en la energa interna,cintica, potencial, etc.

Transferencia neta de entropapor calor, trabajo y masa

Generacinentrpica

Cambio enla entropa

Transferencia neta de exergapor calor, trabajo y masa

Destruccinde exerga

Cambiode exerga

X entrada X salida Xeliminado X sistema

Sentrada Ssalida Sgen Ssistema

Eentrada E salida E sistema

mentrada msalida msistema

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Estas relaciones reafirman que durante un proceso real la masa y la energa seconservan, la entropa se genera y la exerga se destruye. Se invita a los estu-diantes a que usen estas formas de balance en los primeros captulos despusde que especifiquen el sistema y las simplifiquen para cada problema en par-ticular. Un mtodo mucho ms relajado se emplea en los captulos posterioresa medida que los estudiantes van adquiriendo un mayor dominio.

LA SELECCIN DE UNIDADES SI O EN UNIDADES INGLESASComo un reconocimiento al hecho de que las unidades inglesas an se usanampliamente en algunas industrias, en el libro se emplean tanto unidades SIcomo inglesas, haciendo nfasis en el SI. El contenido se puede cubrir usan-do la combinacin de unidades SI e inglesas o nicamente las del SI, deacuerdo con la preferencia del profesor. Las grficas y tablas de propiedadesen los apndices se presentan en ambas unidades, excepto en aquellas queimplican cantidades dimensionales. Los problemas, tablas y grficas en uni-dades inglesas estn identificados con la letra E, colocado despus del n-mero con la finalidad de que sea sencillo reconocerlos; asimismo, los usua-rios del sistema SI pueden ignorarlos sin ningn problema.

TEMAS DE INTERS ESPECIALLa mayora de los captulos contienen una seccin llamada Tema de intersespecial, en la que se analizan algunos aspectos interesantes de la termodi-nmica. Ejemplos de ello son Aspectos termodinmicos de los sistemas biol-gicos, que aparece en el captulo 4; Refrigeradores domsticos, del 6; Aspec-tos cotidianos de la segunda ley, del 8, y Ahorro de combustible y dinero almanejar sensatamente, del captulo 9. Los temas seleccionados para esta sec-cin ofrecen extensiones verdaderamente intrigantes sobre termodinmica,sin embargo, si se desea pueden omitirse sin que esto represente una prdidade continuidad.

GLOSARIO DE TRMINOS TERMODINMICOSA lo largo de todos los captulos, cuando se presenta y define un trmino oconcepto de fundamental importancia, ste aparece en negritas. Los trminosy conceptos fundamentales de la termodinmica tambin aparecen en un glo-sario que se localiza en nuestro sitio de Internet (www.mhhe.com/cengel). Es-te glosario nico ayuda a reforzar la terminologa clave, adems de que esuna excelente herramienta de revisin y aprendizaje para los estudiantes amedida que avancen en su estudio de la termodinmica. Adems, los estu-diantes pueden medir su conocimiento de estos trminos al emplear las tarje-tas con informacin rpida (flash cards) u otros recursos interactivos.FACTORES DE CONVERSINLos factores de conversin y las constantes fsicas de uso frecuente se listanen las pginas de las cubiertas interiores del texto para que sean una referen-cia fcil de usar.

SUPLEMENTOSLos siguientes suplementos se encuentran disponibles para quienes estudiancon este libro.

DVD DE RECURSOS PARA EL ESTUDIANTEIncluido sin costo alguno en cada ejemplar, este DVD ofrece una gran canti-dad de recursos para los estudiantes que incluye experimentos fsicos de ter-modinmica, una gua interactiva y el software EES.

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Experimentos fsicos de termodinmica: Una caracterstica nueva de estaedicin es la inclusin de experimentos fsicos de termodinmica, elaboradospor Ronald Mullisen del Departamento de Ingeniera Mecnica de la Univer-sidad Estatal Politcnica de California (Cal Poly), en San Luis Obispo. Ubi-cados en lugares convenientes en los mrgenes de los captulos 1, 3 y 4, estosexperimentos fsicos aparecen mediante fotografas y texto que se relacionandirectamente con el material estudiado en esa pgina. Los textos remiten allector a los problemas que se hallan al final del captulo, los cuales propor-cionan una breve descripcin de los experimentos. stos cubren los temaspropiedades termodinmicas, procesos termodinmicos y leyes termodinmi-cas. El DVD de recursos para el estudiante cubre completamente los nueveexperimentos, cada uno de los cuales contiene un videoclip, una narracincompleta que a su vez contiene los antecedentes histricos y datos reales (enun archivo de Excel, generalmente). Las respuestas tambin se proporcionanen el sitio de Internet que acompaa al libro y estn protegidos con contrase-a para el uso del profesor. Una vez que el estudiante haya visto el video yledo el texto, estar listo para reducir los datos y obtener resultados que serelacionan directamente con el material que se presenta en los captulos. Entodos los experimentos, los resultados finales se comparan con la informacinpublicada. La mayora de los experimentos arrojan resultados finales que seencuentran dentro del 10 por ciento o muy cerca de este porcentaje respecto alos valores publicados.Gua interactiva de termodinmica: Tambin incluida en el DVD de recur-sos para el estudiante est la Gua interactiva de termodinmica, desarrolladapor Ed Anderson de la Universidad Tecnolgica de Texas. Esta gua revisadase relaciona directamente con el texto a travs de un cono que indica cundolos estudiantes debern remitirse a sta para investigar ms a fondo temas es-pecficos como el balance de energa y los procesos isentrpicos.Resolvedor de ecuaciones de ingeniera (EES): Desarrollado por SanfordKlein y William Beckman, de la Universidad de Wisconsin-Madison, esteprograma combina la capacidad de resolver ecuaciones y los datos de las pro-piedades de ingeniera. El EES puede hacer operaciones de optimizacin,anlisis paramtricos y regresin lineal y no lineal; adems, posee la capaci-dad para elaborar grficos con la calidad que se requiere para su publicacin.Se incluyen las propiedades termodinmicas y de transporte del aire, agua ymuchos otros fluidos, lo que permite que el usuario del EES pueda ingresardatos de propiedades o relaciones funcionales.

CENTRO DE APRENDIZAJE EN LNEA (OLC)En nuestro Centro de Aprendizaje en Lnea se ofrece soporte en Internet parael libro en la pgina www.mhhe.com/cengel. Visite este robusto sitio si deseaencontrar informacin sobre la obra y sus suplementos, errores, informacinsobre el autor y recursos adicionales para profesores y alumnos.

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AGRADECIMIENTOSDeseamos agradecer a los numerosos y valiosos comentarios, sugerencias, crti-cas constructivas y elogios de los evaluadores y revisores que aparecen a conti-nuacin:

Mahesh C. AggarwalGannon University

Yan AibinTianjin Institute of Urban Construction

Ralph Curtis Aldredge IIIUniversity of CaliforniaDavis

D. Eric AstonUniversity of Idaho

Kendrick AungLamar University

Sharmistha Basu-DuttUniversity of West Georgia

Christoph BeckermannUniversity of Iowa

Maurice BluesteinIndiana UniversityPurdue University,Indianapolis

Joon-Hong BooHankuk Aviation University

Bradford A. BrunoUnion College

Joseph L. CampbellUniversity of North Florida

Van P. CareyUniversity of California, Berkeley

Soyoung Stephen ChaUniversity of Illinois at Chicago

Reiyu CheinNational Chung Hsing University

Chan Y. ChingMcMaster University

Ng Kim ChoonNational University of Singapore

Richard B. ColeStevens Institute of Technology

Michael R. CollinsUniversity of Waterloo

John S. ColtonUniversity of WisconsinLa Crosse

William B. CooleyBrigham Young UniversityIdaho

David S. CortiPurdue University

Shoeleh Di JulioCalifornia State University,Northridge

N. John DiNardoDrexel University

S. David DvorakUniversity of Maine

Asuquo B. EbianaCleveland State University

Nader D. EbrahimiThe University of New Mexico

Harry W. EdwardsColorado State University

Andrei G. FedorovGeorgia Institute of Technology

Steven H. FrankelPurdue University

J. Leo GaddisClemson University

Andrew L. GerhartLawrence Technological University

Afshin J. GhajarOklahoma State University

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Edwin I. GriggsTennessee Technological University

Keith E. GubbinsNorth Carolina State University

Kirk D. HagenWeber State University

Nanthiya HansupalakKasetsart University

J. E. HasbunUniversity of West Georgia

Robert A. HelfinstineGrove City College

Chun-Ling HuangSouthern University and A&M College

H. Ted HuddlestonUniversity of South Alabama

Karl JohnsonUniversity of Pittsburgh

Gregory A. KallioCalifornia State University, Chico

Barkan M. KavlicogluUniversity of Nevada, Reno

Milivoje KosticNorthern Illinois University

Wayne B. KrauseSouth Dakota School of Mines & Technology

John L. KrohnArkansas Tech University

Kenneth A. KroosVillanova University

Ganesh KudavYoungstown State University

Jos L. LageSouthern Methodist University

Shashi LalvaniMiami University

Anastas LazaridisWidener University

Sheam Chyun LinNational Taiwan University of Science andTechnology

Bart LipkensWestern New England College

John R. LloydMichigan State University

Joseph M. Londino, Jr.Christian Brothers University

Jesse MaddrenCalifornia State Polytechnic,San Luis Obispo

Yadollah MahamUniversity of Alberta

H. MansyIllinois Institute of Technology

Ron MattisUniversity of Pittsburgh at Bradford

M. Pinar MengucUniversity of Kentucky

Knox T. MillsapsNaval Postgraduate School

Juan M. Morn-LpezTexas A&M International University

Samir MoujaesUniversity of Nevada, Las Vegas

Alex MoutsoglouSouth Dakota State University

Keiko K. NomuraUniversity of California, San Diego

Emmanuel C. NsoforSouthern Illinois University, Carbondale

Agnes E. OstafinUniversity of Notre Dame

Darrell W. PepperUniversity of Nevada, Las Vegas

Carlson PianAlfred University

Kevin P. PipeUniversity of Michigan

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Marie PlanchardMassBay Community College

Robert A. Potter, Jr.Roger Williams University

Randel M. PriceChristian Brothers University

Stephen W. PronchickCalifornia State University, MaritimeAcademy

Muhammad Mustafizur RahmanUniversity of South Florida

John ReiselUniversity of WisconsinMilwaukee

Gordon M. ReistadOregon State University

C. I. RickettsNew Mexico State University

William K. RuleSUNY, Oswego

Asad A. SalemCleveland State University

Todd SandersPortland Community College

David R. Sawyers, Jr.Ohio Northern University

Kevin SchmaltzWestern Kentucky University

Lane H. SeeleySeattle Pacific University

Tariq ShamimUniversity of MichiganDearborn

David W. ShawGeneva College

Samuel SihWalla Walla College

Robert SpallUtah State University

James W. StevensUniversity of Colorado at ColoradoSprings

Peter StevensPortland Community College

Anthony G. StraatmanUniversity of Western Ontario

Chin-Chia SuNational Taiwan University

Constantine M. TarawnehThe University of TexasPan American

Glen E. ThorncroftCalifornia Polytechnic State University,San Luis Obispo

Chung-jen TsengNational Central University

Francis TuluriJackson State University

Valerio VitiClarkson University

Xinwei WangUniversity of NebraskaLincoln

Russell L. WarleyPenn State Erie, The Behrend College

Doug WendelSnow College

David WhitmireTennessee Technological University

X. Terry YanSouthern Illinois UniversityEdwardsville

Tony YeungUniversity of Alberta

Nuri ZeytinogluPurdue University, North Central

Yuwen ZhangUniversity of MissouriColumbia

Tianshou ZhaoThe Hong Kong University of Science and Technology

Robert M. ZiffUniversity of Michigan

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Las sugerencias de estos especialistas fueron una ayuda fabulosa para mejorarla calidad de este libro. En particular, nos gustara expresar nuestra gratitud aMehmet Kanoglu de la Universidad de Gaziantep, en Turqua, por sus valio-sas contribuciones, su revisin crtica del manuscrito y por su especial aten-cin a la precisin y al detalle.

Tambin nos gustara agradecer a nuestros alumnos, quienes nos dieron unagran retroalimentacin. Por ltimo, quisiramos expresar nuestro agradeci-miento a nuestras esposas Zehra engel y Sylvia Boles y a nuestros hijos, porsu paciencia, comprensin y apoyo continuos a lo largo de la preparacin deeste libro.

Yunus A. engelMichael A. Boles

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La termodinmica es una materia fascinan-te que trata sobre la energa. Tiene una am-

plia aplicacin que va desde los organismosmicroscpicos y aparatos domsticos hasta

los vehculos, los sistemas de generacin depotencia e incluso la filosofa. Las figuras

son herramientas importantes para el apren-dizaje que ayudan a los estudiantes a obte-ner un panorama sobre el tema, y esta obra

utiliza de manera efectiva los grficos al pre-sentar ms ilustraciones y fotografas quecualquier otro texto sobre termodinmica.

Visita guiada

En este libro se hace nfasis en los aspectos f-sicos de la termodinmica, as como en las re-presentaciones y manipulaciones matemticas.Los autores consideran que el nfasis en la edu-cacin a nivel licenciatura debe continuar desa-rrollando el conocimiento de los mecanismos f-sicos en los que se basa esta materia, as como ladestreza en la resolucin de problemas prcticoscon los que el ingeniero se enfrentar, muy pro-bablemente, en el mundo real.

Compresorde bajapresin (CBP),5 etapas

Colector de aireextrado del CBP

Brida de impulsinde extremo fro

Compresorde alta presin,14 etapas

Combustor

Mltipledel sistemade combustible

Turbina dealta presin,2 etapas

Turbina debaja presin,5 etapas

Brida de impulsinde extremo caliente

Cortesa de GE Power Sistemas

EJEMPLO 2-17 Ahorros de costo relacionados con motores de alta eficiencia

Un motor elctrico de 60 hp (es decir, que entrega 60 hp de potencia de fle-cha a plena carga) con una eficiencia de 89 por ciento est descompuesto ydebe ser remplazado por otro de alta eficiencia: 93.2 por ciento (Fig. 2.61).El motor opera 3 500 horas al ao a plena carga. Tomando el costo unitariode la electricidad como $0.08/kWh, determine la cantidad de energa y dineroahorrado como resultado de instalar el motor de alta eficiencia en lugar delestndar. Tambin determine el periodo de retorno simple si los precios decompra de los motores estndar y de alta eficiencia son $4 520 y $5 160,respectivamente.

Solucin Se remplazar un motor inservible estndar por uno de alta efi-ciencia y se determinar la cantidad de energa elctrica y el dinero ahorrado,as como el periodo de retorno simple.Suposiciones El factor de carga del motor permanece constante en 1 (plenacarga) mientras operaAnlisis La potencia elctrica que extrae cada motor y su diferencia se expre-san como

donde estndar es la eficiencia del motor estndar y eficiente es la del de altaeficiencia. Entonces la energa anual y los ahorros de costo relacionados conla instalacin del motor de alta eficiencia son

Costos de energa (ahorros de potencia)(horas de operacin) (potencia nominal)(horas de operacin)

(factor de carga)(1/ estndar 1/ eficiente)(60 hp)(0.7457 kW/hp)(3 500 h/ao)(1)(1/0.89 1/0.932)7 929 kWh/ao

Ahorros de costo (ahorros de energa)(costo unitario de energa)(7 929 kWh/ao)($0.08/kWh)$634/ao

Asimismo,

Costo inicial extra diferencia del precio de compra $5 160 $4 520 $640

Esto da un periodo de retorno simple de

Explicacin El motor de alta eficiencia paga su diferencia de precio dentrode un ao debido a la energa elctrica que ahorra. Como la vida til de losmotores elctricos es de varios aos, en este caso la compra del de mayor efi-ciencia es definitivamente la indicada.

Periodo de retorno simpleCosto inicial extra

Ahorros de costo anual$640

$634>aos 1.01 aos

Ahorro de energa W#

elctrica entrada,estndar W#

elctrica entrada,eficiente

W#

elctrica entrada,eficiente W#

flecha> eficiente 1potencia nominal2 1factor de carga2 > eficiente W#

elctrica entrada,estndar W#

flecha> estndar 1potencia nominal2 1factor de carga2 > estndar

1potencia nominal 2 1factor de carga2 11> estndar 1> eficiente2

Motor estndar

60 hp

h

Motor de alta eficiencia

60 hp

FIGURA 2-61Esquema para el ejemplo 2-17.

h

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NUEVO: El anlisis de la energa de sistemas cerrados se presenta en un captulo independiente, Anlisis de energa de sistemas cerrados (captulo4), junto con el trabajo de frontera y elanlisis de los calores especficos tanto delos gases ideales como de las sustanciasincompresibles.

Visita guiada

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NUEVO: La primera ley de la termodi-nmica se presenta al inicio del captulo2, Energa, transferencia de energa yanlisis general de la energa. Este cap-tulo proporciona una comprensin generalde la energa, de los mecanismos de latransferencia de energa, del concepto debalance de energa, de la economa trmi-ca, de la conversin de la energa y de laeficiencia de la conversin. Asimismo, seexpone al estudiante desde el comienzodel curso algunas emocionantes aplicacio-nes de la termodinmica en el mundoreal, lo cual les ayuda a establecer un sen-tido del valor econmico de la energa

EJEMPLO 2-11 Aceleracin de aire mediante un ventilador

Mientras opera, un ventilador que consume 20 W de potencia elctrica y quese halla en un cuarto abierto descarga aire a una tasa de 0.25 kg/s y una ve-locidad de descarga de 8 m/s (Fig. 2.48). Determine si esta afirmacin es ra-zonable.

Solucin Un ventilador incrementa la velocidad del aire a un valor especifi-cado mientras consume potencia elctrica a una velocidad especificada. Seinvestigar la validez de esta afirmacin.Suposiciones Como el cuarto est relativamente en calma, es insignificantela velocidad del aire ah contenido.Anlisis Se examinan las conversiones de energa del caso: el motor del ven-tilador convierte parte de la potencia elctrica que consume en potencia me-cnica (flecha) empleada para hacer girar las aspas del ventilador. Las aspasestn diseadas para transmitir al aire una porcin grande de la potencia me-cnica de la flecha para moverlo. En el caso ideal de una permanente opera-cin con ausencia de prdidas (sin conversin de energa elctrica y mecnicaen energa trmica), la entrada de potencia elctrica ser igual a la tasa de in-cremento de la energa cintica del aire. Por lo tanto, para un volumen decontrol que encierra al motor, el balance de energa se expresa como

Si se despeja y sustituye Vsalida se obtiene la velocidad mxima de salida deaire

lo cual es menor a 8 m/s. Por lo tanto, la afirmacin es falsa.Explicacin El principio de conservacin de la energa requiere que la energase conserve cuando se convierte de una a otra forma y no permite que ningu-na energa se cree ni se destruya durante un proceso. Desde el punto de vistade la primera ley, no hay ningn error con la conversin de toda la energaelctrica en energa cintica. Por lo tanto, la primera ley no tiene objecin enque la velocidad del aire alcance 6.3 m/s, pero ste es el lmite superior.Cualquier afirmacin de una velocidad mayor a este lmite viola la primera leyy por lo tanto es imposible. En realidad, la velocidad del aire ser considera-blemente menor que 6.3 m/s como resultado de las prdidas relacionadas conla conversin de energa elctrica en energa mecnica de flecha y la conver-sin de sta en energa cintica del aire.

Vsalida BW#

elctrico,entrada

2m# aire B20 J>s

2 10.25 kg>s 2 a1 m2> >s

2

1 J>kg b 6.3 m s

W#

elctrico,entrada m#

aire ecsalida m#

aireV 2salida

2

Tasa de cambio en las energas internaTasa de transferencia de energaneta por calor, trabajo y masa cintica, potencial, etctera

dE sistema > dt 0 1permanente 2 0 S E# entrada E# salida E#entrada E

#salida

Aire

8 m/s Ventilador

FIGURA 2-48Esquema para el ejemplo 2-11. Vol. 0557/PhotoDisc

u = cv T

T1 = 20CP = constante

AIRE

T2 = 30CQ2Q1

T1 = 20CV = constante

AIRE

T2 = 30C

= 7.18 kJ/kgu = cv T

= 7.18 kJ/kg

FIGURA 4-27La relacin u cv T es vlida paracualquier clase de proceso, a volumenconstante o no.

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Visita guiada

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Cada captulo comienza con un panorama ge-neral del material que se va a estudiar, as co-mo de los objetivos de aprendizaje, los cualesson acordes a los del ABET. Se incluye un re-sumen al final de cada captulo que proporcio-na una revisin rpida de los conceptos bsicose importantes relaciones, adems de enfatizarla importancia del material.

NUEVO: La conservacin de la masa seestudia junto con la conservacin de laenerga en el captulo 5, Anlisis de masay energa de volmenes de control. Tam-bin en este captulo se proporciona unadeduccin formal de la ecuacin general dela energa, en la seccin Tema de intersespecial.

REVISADO: El captulo que estudia losefectos de la compresibilidad, Flujo com-

presible (captulo 17), fue revisado minucio-samente y se aument. Este captulo realizaahora un estudio de los choques oblicuos y

del flujo con transferencia de calor (flujo deRayleigh), el cual incluye fotografas y anli-sis profundos acerca de las ondas de choque. Foto de G. S. Settles, Penn State University. Utilizada con autorizacin.

Aguacaliente

Aguafra

T

FIGURA 5-32La tubera en forma de T de unaregadera ordinaria sirve como cmarade mezclado para las corrientes deagua caliente y fra.

ObjetivosEn el captulo 8, los objetivos son:

Examinar el desempeo de los dispositivos de la ingeniera ala luz de la segunda ley de la termodinmica.

Definir la exerga, que es el trabajo til mximo que puedeobtenerse del sistema en un estado y un ambienteespecificados.

Definir trabajo reversible, que es el trabajo til mximo quepuede obtenerse cuando un sistema experimenta unproceso entre dos estados especificados.

Definir destruccin de exerga, que es el trabajo potencialdesperdiciado durante un proceso como resultado deirreversibilidades.

Definir la eficiencia de la segunda ley.

Desarrollar la relacin de balance de exerga. .

Aplicar el balance de exerga a los sistemas cerrados yvolmenes del control.

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Visita guiada

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Cada captulo contiene problemas de ejemploque se encuentran en el mundo real. Los autoreshan usado un mtodo consistente en la resolu-cin de problemas a la vez que han mantenidoel estilo de conversacin informal. Este mtodo

de resolver problemas tambin es empleado a lolargo de las resoluciones que se presentan en el

manual de soluciones para el profesor.

EJEMPLO 2-13 Costo anual de la iluminacin de un saln de clases

Para iluminar un saln de clases se utilizan 30 lmparas fluorescentes, cadauna con un consumo de 80 W de electricidad (Fig. 2.50). Las luces se man-tienen encendidas durante 12 horas al da y 250 das por ao. Para un costode electricidad de 7 centavos por kWh, determine el costo anual de energa yexplique los efectos que la iluminacin tendr sobre la calefaccin y el siste-ma de aire acondicionado del saln de clases.

Solucin Se piensa iluminar un saln de clases mediante lmparas fluores-centes. Se determinar el costo anual de la electricidad para iluminacin y seanalizar el efecto que sta tendr en la calefaccin y en el sistema de aireacondicionado.Suposiciones El efecto de las fluctuaciones de voltaje es insignificante por-que cada lmpara fluorescente consume su potencia nominal.Anlisis La potencia elctrica que consumen las lmparas cuando todas es-tn encendidas y el nmero de horas por ao que as se mantienen se expresa

Potencia de iluminacin (potencia que consume la lmpara) (nmerode lmparas)

(80 W/lmpara)(30 lmparas) 2 400 W 2.4 kW

Horas de operacin (12 h/da)(250 das/ao) 3 000 h/aoEntonces la cantidad y el costo de la electricidad usada por ao es

Energa de iluminacin (potencia de iluminacin)(horas de operacin) (2.4 kW)(3 000 h/ao) 7 200 kWh/ao

Costo de iluminacin (energa de iluminacin)(costo unitario) (7 200 kWh/ao)($0.07/kWh) $504/ao

Las superficies absorben la luz que incide en ellas y sta se convierte en ener-ga trmica. Si se ignora la luz que escapa por las ventanas, los 2.4 kW de po-tencia elctrica que consumen las lmparas en algn momento se vuelvenparte de la energa trmica del saln, por lo tanto el sistema de iluminacinreduce los requerimientos de calefaccin en 2.4 kW, pero incrementa la cargadel sistema de aire acondicionado en 2.4 kW.Explicacin El costo de iluminacin para el saln de clases es mayor a $500,lo que demuestra la importancia de las medidas de conservacin de energa. Sise emplearan bombillas elctricas incandescentes, los costos de iluminacin secuadruplicaran, ya que este tipo de lmparas usan cuatro veces ms potenciapara producir la misma cantidad de luz.

7-137 Unas varillas largas y cilndricas de acero (r 7 833kg/m3 y cp 0.465 kJ/kg C) de 10 cm de dimetro se tratantrmicamente pasndolas a una velocidad de 3 m/min a travsde un horno de 7 m de largo que se mantiene a 900C. Si lasvarillas entran en el horno a 30C y salen a 700C, determinea) la tasa de transferencia de calor hacia las varillas en el hor-no y b) la tasa de generacin de entropa asociada con esteproceso de transferencia de calor.

3 m/min

Horno900C

Aceroinoxidable, 30C

7 m

FIGURA P7-137

El libro contiene casi 3 000 problemas detarea. Los problemas al final de cada cap-tulo se encuentran agrupados en temas es-pecficos para que su seleccin sea muchoms fcil, tanto para los profesores comopara los estudiantes.

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Visita guiada

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SUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE PARA EL ESTUDIANTE

DVD DE RECURSOS PARAEL ESTUDIANTE(Incluido sin costo en cada libro)

Los siguientes recursos se encuentran disponibles en elDVD de recursos para el estudiante: Experimentos Fsicos de Termodinmica.

El profesor Ronald Mullisen, del departamento de ingeniera mecnica de la Universidad Estatal Politcnica de California, en San Luis Obispo,desarroll nueve experimentos fsicos de termodinmica. stos ilustran directamente las propiedades, los procesos y las leyes. Adems de estar totalmente integrados al texto a travs del usode conos al margen, as como fotografas y problemas de tarea al final de cada captulo.

Los experimentos fsicos de termodinmica contienen:

Videos (~5 minutos) que examinan y describen cada experimento (con audio).Descripciones (~10 pginas) que ofrecen un pano-rama de los experimentos fsicos de la termodin-mica y que desarrollan el objetivo, la introduccin,los antecedentes histricos, el anlisis, el materialque se necesitar y las notaciones.Datos (archivo en Excel de una pgina) que permiten a los estudiantes reducir los datos y obtener resultados.Respuestas (disponibles en el sitio de Internet concontrasea de proteccin para uso exclusivo de losprofesores).

En cada experimento, los resultados finales se comparancon la informacin publicada. Muchos de los experi-mentos proporcionan resultados que se encuentran den-tro del 10 por ciento o un poco ms con respecto a losvalores publicados.

EXPERIMENTO

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Visita guiada Gua interactiva de termodinmica. El profe-

sor Ed Anderson del departamento de ingeniera me-cnica de la Universidad Tecnolgica de Texas creuna gua interactiva de termodinmica actualizadaque est muy relacionada con el texto mediante co-nos situados al margen del mismo, indicando los pun-tos de la gua a los que los estudiantes puede remitirsepara estudiar con mayor profundidad los temas difci-les como entropa y la segunda ley de la termodinmi-ca. sta es una herramienta excelente para que los es-tudiantes refuercen su aprendizaje acerca de los con-ceptos termodinmicos.

SUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE PARA EL ESTUDIANTE Resolvedor de ecuaciones de ingeniera

(EES) con soluciones escritas. El EES es un po-deroso resolvedor de ecuaciones con funciones y ta-blas de propiedades integradaspara las propiedades de trans-porte y termodinmicas, as co-mo con la capacidad de verificarde manera automtica las unida-des. Requiere de menos tiempoque la calculadora para ingresardatos permitiendo as que secuente con ms tiempo para el razonamiento crtico

del modelado y la resolucin de los problemas deingeniera. Busque los conos EES en las seccio-nes de tarea del texto.

CUADERNO CON TABLAS DE PROPIEDADES(ISBN 0-07-288497-5)

Este cuadernillo proporciona al estudiante una referencia rpida y fcil de las tablas y grficasms importantes, de las cuales la mayor parte seencuentran en la cubierta posterior del texto tantoen unidades SI como inglesas.

TUTORIALINTERACTIVO

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CENTRO DE APRENDIZAJE EN LNEA (OLC)WWW.MHHE.COM/CENGELEl OLC ofrece recursos a estudiantes y profesores.

Los recursos siguientes se encuentran disponibles paralos estudiantes: Glosario de trminos clave de termodinmica. Los tr-

minos en negritas del texto se definen en este accesible glo-sario, el cual est organizado de acuerdo a cada captulo ytambin como un solo archivo.

Gua de estudio para el estudiante. Este recurso describelos conceptos fundamentales del libro y es una gua til quepermite a los estudiantes enfocarse en los conceptos msimportantes. Tambin puede servir como plan de lectura pa-ra los profesores.

Problemas de ejemplo para el examen sobre fundamen-tos de ingeniera (FI). ste es un recurso altamente inte-ractivo que reporta las respuestas de manera automtica yofrece una explicacin de la respuesta correcta. Este recur-so tambin permite a los estudiantes presentar sus resulta-dos al profesor. Fue preparado por el Dr. Ed Anderson.

Objetivos de aprendizaje. Los objetivos de aprendizajedel captulo se describen al inicio de ste. Se encuentran or-ganizados por captulo y son acordes con los objetivos delABET.

Autoevaluacin. Los estudiantes pueden poner a prueba suconocimiento utilizando exmenes de opcin mltiple. Es-tas autoevaluaciones proporcionan una retroalimentacininmediata y son una excelente herramienta de aprendizaje.

Tarjetas con informacin rpida. Estas tarjetas interacti-vas ponen a prueba la comprensin del estudiante sobre lostrminos que aparecen en el texto y sus definiciones. Elprograma tambin permite que los estudiantes identifiquenlos trminos que requieran de un estudio ms profundo.

Crucigramas. Se trata de un crucigrama interactivo que sedosifica y ofrece pistas as como una seccin de notas.

Concentracin. Es un juego interactivo que consiste en en-contrar correspondencias que mejoran la comprensin de losconceptos bsicos de la termodinmica.

Errata. Si el lector llega a encontrar errores en el texto,pueden ser reportados en esta seccin.

Visita guiada

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Los siguientes recursos se encuentran disponibles para los pro-fesores con contrasea de proteccin:

Banco de preguntas para el profesor. Consiste en proble-mas adicionales preparados para que los profesores losasignen a sus alumnos. Se proporcionan las soluciones co-rrectas y se recomienda el uso del EES para verificar la pre-cisin de las respuestas.

Sistema de desempeo en clase (CPS). Tambin conocidocomo el eInstruction, el CPS es un sistema de respuestasporttil inalmbrico que ofrece al profesor retroalimenta-cin inmediata de cada estudiante. Las unidades CPS inclu-yen un software fcil de usar para la creacin y entrega depreguntas y evaluaciones de la clase.

Gua de correlacin. Los nuevos usuarios de este libroapreciarn este recurso: una gua que ofrece una fcil tran-sicin a los instructores que no emplean actualmente laobra de engel y Boles.

Biblioteca de imgenes. Se proporciona la versin electr-nica de las figuras a fin de que puedan integrarse fcilmentea las presentaciones del curso, los exmenes y las tareas.

Gua del profesor. Proporciona herramientas muy tilescomo un ejemplo de la estructura del curso y de los exme-nes, una gua de conversin al ABET, un glosario de trmi-nos termodinmicos y los objetivos de cada captulo.

Gua de estudio para el estudiante. Este recurso describelos conceptos fundamentales del texto y representa una guatil que permite que los estudiantes se enfoquen en losconceptos ms importantes. Esta herramienta tambin estil al profesor para impartir la clase.

Errata. Si el profesor llega a encontrar errores en el ma-nual de respuestas, pueden ser reportados en esta seccin.

Resultados de los experimentos fsicos de termodinmi-ca. En esta seccin se encuentran los resultados de los ex-perimentos que se encuentran en el DVD de recursos parael estudiante.

RECURSOS EN LNEA PARA EL ESTUDIANTE Y EL PROFESOR

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CD ROM DE RECURSOS PARA EL PROFESOR (IRCD)

(ISBN 0-07-320521-4)

(Obtenga este CD-ROM con su representante deMcGraw-Hill)

Los siguientes recursos se encuentran disponibles en elCD ROM de recursos para el profesor: Manual de soluciones. Este manual proporciona en

formato PDF las respuestas a detalle de todos los pro-blemas de tarea del libro.

Biblioteca de imgenes. Se proporciona la versinelectrnica de las figuras a fin de que puedan ser inte-gradas de forma sencilla a las presentaciones del cur-so, los exmenes y las tareas.

Captulos del texto y apndices. Se ofrecen los ar-chivos en formato PDF, los cuales son tiles en la pre-paracin de herramientas a la medida para elaborarpresentaciones en clase.

Gua del profesor. La gua del profesor ofrece a steherramientas muy tiles, como un ejemplo del conte-nido del curso y de los exmenes, una gua de conver-sin al ABET, un glosario de trminos termodinmi-cos y los objetivos de cada captulo.

Gua de estudio para el estudiante. Este recursodescribe los conceptos fundamentales del libro. Estagua tambin puede serle til al profesor para impartirclase.

Visita guiada

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CD ROM COSMOS (Sistema de organizacin del manualde soluciones totalmente en lnea)

(ISBN 0-07-298464-3)

(Obtenga el CD ROM COSMOS con su represen-tante de McGraw-Hill)

El COSMOS, disponible solamente para los profesores,es una poderosa herramienta que consiste en un manualde soluciones que brinda una ayuda para facilitar la crea-cin de tareas, exmenes y pruebas mediante el empleode problemas y soluciones del libro. Los profesores tam-bin pueden adicionar sus propios problemas y resulta-dos a este sistema.

SUPLEMENTOS DE ENSEANZA PARA EL PROFESOR

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DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS

Aceleracin 1 m/s2 100 cm/s2 1 m/s2 3.2808 ft/s2

1 ft/s2 0.3048* m/s2

rea 1 m2 104 cm2 106 mm2 106 km2 1 m2 1550 in2 10.764 ft2

1 ft2 144 in2 0.09290304* m2

Densidad 1 g/cm3 1 kg/L 1000 kg/m3 1 g/cm3 62.428 lbm/ft3 0.036127 lbm/in3

1 lbm/in3 1728 lbm/ft3

1 kg/m3 0.062428 lbm/ft3

Energa, calor, trabajo, 1 kJ 1000 J 1000 N m 1 kPa m3 1 kJ 0.94782 Btuenerga interna, 1 kJ/kg 1000 m2/s2 1 Btu 1.055056 kJentalpa 1 kWh 3600 kJ 5.40395 psia ft3 778.169 lbf ft

1 cal 4.184 J 1 Btu/lbm 25,037 ft2/s2 2.326* kJ/kg1 IT cal 4.1868 J 1 kJ/kg 0.430 Btu/lbm1 Cal 4.1868 kJ 1 kWh 3412.14 Btu

1 termia 105 Btu 1.055 105 kJ (gas natural)

Fuerza 1 N 1 kg m/s2 105 dina 1 N 0.22481 lbf1 kgf 9.80665 N 1 lbf 32.174 lbm ft/s2 4.44822 N

Flujo de calor 1 W/cm2 104 W/m2 1 W/m2 0.3171 Btu/h ft2

Coeficiente de trans- 1 W/m2 C 1 W/m2 K 1 W/m2 C 0.17612 Btu/h ft2 Fferencia de calor

Longitud 1 m 100 cm 1000 mm 106 mm 1 m 39.370 in 3.2808 ft 1.0926 yd1 km 1000 m 1 ft 12 in 0.3048* m

1 milla 5280 ft 1.6093 km1 in 2.54* cm

Masa 1 kg 1000 g 1 kg 2.2046226 lbm1 tonelada mtrica 1000 kg 1 lbm 0.45359237* kg

1 onza 28.3495 g1 slug 32.174 lbm 14.5939 kg1 ton corta 2000 lbm 907.1847 kg

Potencia, velocidad 1 W 1 J/s 1 kW 3412.14 Btu/hde transferencia 1 kW 1000 W 1.341 hp 737.56 lbf ft/sde calor 1 hp 745.7 W 1 hp 550 lbf ft/s 0.7068 Btu/s

42.41 Btu/min 2544.5 Btu/h 0.74570 kW

1 hp de caldera 33,475 Btu/h1 Btu/h 1.055056 kJ/h1 ton de refrigeracin 200 Btu/min

Presin 1 Pa 1 N/m2 1 Pa 1.4504 104 psia1 kPa 103 Pa 103 MPa 0.020886 lbf/ft2

1 atm 101.325 kPa 1.01325 bars 1 psi 144 lbf/ft2 6.894757 kPa 760 mm Hg a 0C 1 atm 14.696 psia 29.92 in Hg a 30F 1.03323 kgf/cm2 1 in Hg 3.387 kPa

1 mm Hg 0.1333 kPa

Calor especfico 1 kJ/kg C 1 kJ/kg K 1 J/g C 1 Btu/lbm F 4.1868 kJ/kg C1 Btu/lbmol R 4.1868 kJ/kmol K1 kJ/kg C 0.23885 Btu/lbm F

0.23885 Btu/lbm R

* Factores de conversin exactos entre las unidades mtricas e inglesas.La calora se define originalmente como la cantidad de calor requerida para aumentar 1C la temperatura de 1 g de agua, pero sta vara con la temperatura. La calora de la tabla de vapor internacional (IT), generalmente preferida por los ingenieros, es exactamente 4.1868 J por definicin y corresponde al calorespecfico del agua a 15C. La calora termoqumica, por lo general preferida por los fsicos, es exactamente 4.184 J por definicin y corresponde al calorespecfico del agua a temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es aproximadamente 0.06 por ciento, lo cual es despreciable. La Calora con inicialmayscula utilizada por los nutrilogos en realidad es una kilocalora (1000 caloras IT).

Factores de conversin

Termo 2a. Forros.qxd 2/22/06 6:44 AM Page 2

DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS

Volumen especfico 1 m3/kg 1000 L/kg 1000 cm3/g 1 m3/kg 16.02 ft3/lbm1 ft3/lbm 0.062428 m3/kg

Temperatura T(K) T(C) 273.15 T(R) T(F) 459.67 1.8T(K)T(K) T(C) T(F) 1.8 T(C) 32

T(F) T(R) 1.8 T(K)

Conductividad 1 W/m C 1 W/m K 1 W/m C 0.57782 Btu/h ft Ftrmica

Velocidad 1 m/s 3.60 km/h 1 m/s 3.2808 ft/s 2.237 mi/h1 mi/h 1.46667 ft/s1 mi/h 1.6093 km/h

Volumen 1 m3 1000 L 106 cm3 (cc) 1 m3 6.1024 104 in3 35.315 ft3

264.17 gal (U.S.)1 U.S. galn 231 in3 3.7854 L1 fl onza 29.5735 cm3 0.0295735 L1 U.S. galn 128 fl onzas

1 m3/s 60,000 L/min 106 cm3/s 1 m3/s 15,850 gal/min (gpm) 35.315 ft3/s 2118.9 ft3/min (cfm)

Caballo de fuerza mecnico. El caballo de vapor elctrico se toma para que sea exactamente igual a 746 W.

Algunas constantes fsicasConstante universal de los gases Ru 8.31447 kJ/kmol K

8.31447 kPa m3/kmol K 0.0831447 bar m3/kmol K 82.05 L atm/kmol K 1.9858 Btu/lbmol R 1545.37 ft lbf/lbmol R 10.73 psia ft3/lbmol R

Aceleracin de la gravedad estndar g 9.80665 m/s2

32.174 ft/s2

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

Constante de Stefan-Boltzmann 5.6704 108 W/m2 K4

0.1714 108 Btu/h ft2 R4

Constante de Boltzmann k 1.380650 1023 J/K

Velocidad de la luz en el vaco co 2.9979 108 m/s 9.836 108 ft/s

Velocidad del sonido en aire seco a 0C y 1 atm c 331.36 m/s 1089 ft/s

Calor de fusin del agua a 1 atm hif 333.7 kJ/kg 143.5 Btu/lbm

Entalpa de vaporizacin del agua a 1 atm hfg 2256.5 kJ/kg 970.12 Btu/lbm

Tasa de flujovolumtrico

Termo 2a. Forros.qxd 2/22/06 6:44 AM Page 3

a Aceleracin, m/s2a Funcin especfica de Helmholtz, u Ts,

kJ/kgA rea, m2A Funcin de Helmholtz, U TS, kJAF Relacin aire-combustiblec Velocidad del sonido, m/sc Calor especfico, kJ/kg Kcp Calor especfico a presin constante, kJ/kg Kcv Calor especfico a volumen constante, kJ/kg KCOP Coeficiente de desempeoCOPHP Coeficiente de desempeo de una bomba de

calorCOPR Coeficiente de desempeo de un refrigeradord, D Dimetro, me Energa especfica total, kJ/kgE Energa total, kJEER Valor de eficiencia de energaF Fuerza, NFA Relacin combustible-aireg Aceleracin de la gravedad, m/s2g Funcin especfica de Gibbs, h Ts, kJ/kgG Funcin total de Gibbs, H TS, kJh Coeficiente de transferencia de calor por

conveccin, W/m2 Ch Entalpa especfica, u Pv, kJ/kgH Entalpa tot

termodinamica - yunus a. cengel

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