TRADUCCIÓN fug. Virgilio González y Pozo
REVISIÓN TÉCNICA Dr. Armando Bravo Ortega Director del Centro Regional de Investigación en Materiales y Manufactura &cuela de Graduados de brgenierla y Ciencias (EGTC) Tecnológico de Monterrey, Campus Estado de México
MJ. Rodolfo Raúl Cobos TéUez &cuela de lngenierfa Universidad Panamericana
M. en C. Néstor L. Díaz Ramírez Director de la ESTQTE Profesor de termodinámica Instituto Politécnico Nacional
Dr. Ricardo Gánem Corvera Profesor del Departamento de lngenierla. Mecánica Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad de México
Misael Flores Rosas Profeso.r titular de termodinámica y ftsica ESIQlE, Instituto Politécnico Nacional
Rafael Campos Haas lngenierla Qufmica Tecnol6gico de Estudios Superiores de Ecatepec
Genaro Muñoz Hernández Coordinador de Termodinámica Facultad de brgenierfa Universidad Nacional Aut6nama de México
Raymundo López Caiiejas Jefe del Área de Termofluidos Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Awcapotzalco
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/ finos de catalogación bibliográfica
R>rmato: 20 x 25.5 cm Páginas:768
Authori:zed tranSiation from tho Bngtish language edition. entitled 1hemuxlynamics and heal power by Kurt C. Rqlle, published by Pcarson Education lnc., publisbing as PRBNTICE HALL, lNC, Copyright e 2006. All rigbLS reserved. ISBN 0131139282
Traducción autorizada de la edición en idioma ingl6s, Dtermqdynamics and heal power by lútrt C. RDlle, publicado por Pcarson Education lnc., publicada como PRBNTICE HAl.L, lNC. , Copyright e 2006. Todos los derechos reservados.
Fsta edición en espallol es la túúca autorizada
Edición en espaliol
B:litor de desarrollo: Supervisor de producción:
o-mail: pablo.guerrero@pcaiSOned.com Miguel B. Gutiórrez Hecnández Enrique Trejo Rernández
Edición en Inglés
Editor: Debbie YameU Assoclate Editor: Kim Yahln Productlon Editor: Kevin Happell Productlon Coordlnatlon: Preparé, lnc. Deslgn Coonllnator: Diane Ernsbe¡:ger
SEXTA EDICIÓN, 2006
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D.R. e 2006 por Pcarson Educación do México, S A. de C.V. Atlacomulco 500, 5• piso Col. Industrial Atoto 53519,Naucalpan deJuárez, Edo. de México E-mail: editorial.universidades@pcaiSOned.com
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A Kurt, Loreli, Timothy, Heidi, Charity, Luz del Sol y mis nietos
Prefacio
Fsta edición se ha preparado teniendo las mismas metas e intenciones que las cinco ante­ riores: presentar, en forma clara, correcta y completa, los conceptos fundamentales de la termodinámica y la transferencia de calor, además de demostrar sus aplicaciones. Me he apegado mucho a la presentación de la quinta edición, y he recalcado las aplicaciones en di­ seño y en el mundo real. La comprensión o el uso del cálculo no es indispensable para es­ tudiar este libro ni para resolver la mayoría de los problemas de práctica. Sigo creyendo q¡e el tema es muy importante y práctico como para hacerlo inaccesible a quienes no tie­ nen bases muy firmes de matemáticas.
In más novedoso es la inclusión de controversia sobre el uso del programa Fngieering Eq11ation Solver (EES) como programa comercial para resolver muchos de los problemas que se encuentran en la termodinámica y la energía calorífica. EES, que se consigue en F-Chart Software (ww.fchart.com), es un pocleroso paquete para obtener y usar propieda­ oos de termoclinámica, y para resolver conjuntos de ecuaciones simultáneas; pero si el lec­ torno tiene acceso a EES, puede omitir esas partes sin que ello demerite su aprendizaje.
lns nueve programas informáticos que he puesto a la disposición de los usuarios de las erlic:iones anteriores se han adaptado para que estén en formato Wmdows; es decir, impul­ sados por eventos, de manera que sean más cómodos y amigables para el usuario. (Estos pro­ gramas se encuentran en el CD del Manual de Soluciones para el Profesor.) Algunos de esos programas analizan algunos de los procesos y ciclos descritos en el texto, y puedan efec­ tuar los cálculos necesarios para estudios paramétricos.
Con el creciente florecimiento de aplicaciones con formulaciones de refrigerante, he agregado dos de ellas, la R-407c y la R-502, en la descripción de la refrigeración mecáni­ ca del capítulo 12. Además he incluido una descripción del cambio de fase de mezclas, en ei capítulo 13, con énfasis particularenlas mezclas de refrigerante, incluyendo la variación observada de temperatura durante un cambio de fase para formulaciones específicas.
Debido al mayor interés en las celdas de combustible, he aumentado la presentación y ooscripción de estos disposit:i vos.
lbr último, en el apéndice be onienado la tabla de propiedades para hacerla más lógi­ ca y comprensible. Ahora, la Tabla de contenido incluye una lista completa de las tablas del apéndice.
Fsta edición incluye aplicaciones con unidades tanto del SI (Sistema Internacional) co­ JIX> del sistema inglés. La necesidad de que los alumnos dominen ambos sistemas ha hecho cpe dividamos el texto, casi por la mitad, entre los dos sistemas. Los problemas de prácti­ ca están formulados en ambos sistemas, y los problemas de ejemplo muestran las conver­ siones correspondientes. El libro contiene material y problemas de práctica suficientes para dar énfasis a ambos sistemas de unidades.
La secuencia de la presentación sigue muy de cerca el orden de las definiciones, enun­ ciados de leyes o principios, y aplicaciones. No debemos subestimar la importancia de las definiciones. En el vocabulario de la termodinámica hemos incluido muchas palabras de uso oomún (como temperatura, calor y trabajo) a las que les asignamos un significado preciso mediante definiciones. Sin esta precisión, la mayor parte de la solución de los problemas téc­ ncos sería vaga, si no es que imposible. Las leyes o los principios se enunc.ian como ver­ dades que no tienen contradicc:io nes observadas en la naturaleza. A continuación presentamos las aplicaciones de esas leyes para que tenga una muestra del tipo de problemas que resol­ vemos con el métoclo termodinámico.
vii
viii Prefacio
Al avanzar desde las leyes básicas a las aplicaciones específicas, presentamos una me­ todología común para todos los problemas de naturaleza termodinámica. Partiendo de los enuociados de las leyes desarrollamos ecuaciones precisas con las que los alumnos pueden ¡:roceder en un análisis. Mostramos cómo hacer afirmaciones respecto a las características ffsicas del material que tratamos y cómo hacer hipótesis más seocillas, pero realistas, que ¡:ermiten reducir ecuaciones generales a ecuaciones específicas. A continuación describimos cómo proceder con los cálculos para obtener respuestas cuantitativas. Incluimos algunas deducciones a partir de las relaciones y compilaciones o tablas generales que muestran ecua­ ciones específicas. Debemos subrayar que lo más importante es comprender las hipótesis resicas que permiten el uso de relaciones específicas.
NO se puede esperar que un libro de tecuología de ingeniería que cubre un tema tan po­ pular como la termodinámica presente mucho trabajo original. Lo que se presenta es bien oonocido en la comunidad científica., pero aquí lo presentamos de una forma especialmen­ te clara y de fácil acceso para los alumnos.
Fn el capítulo 1, el matecial prepara la escena para la secuencia de estudio de La termo­ dinámica. Lo invitamos a que estudie las secciones sobre cálculos termodinámicos y el mé­ todo de solución de problemas. Debemos dar atención especial al tema de cálculo de áreas m jo las curvas y al uso de la computadora en estas actividades. (EL programa que usamos ¡:ara facilitar esos cálculos con el método de la regla de trapezoides está en el CD del Ma­ nual de Soluciones para el Profesor, y es lo l:nstante pequeño para guan:larlo en un disco por separado.)
Fn el capítulo 2 presentamos la idea de un sistema, y nos enfocamos en identificar las ¡:ropiedades importantes de los sistemas. Describimos la instrumentación que usaremos pa­ ra medir propiedades, como manómetros y termómetros.
B capítulo 3 contiene las def'miciones de trabajo y calor, así como una descripción de romo cambia la energía de una forma a otra. También presentamos el concepto de un pro­ ceso reversible, que después usaremos en todo el libro. En el capítulo 4 introducimos la pri­ mera ley de la termodinámica, en forma de un principio de conservación aplicable a un sistema. Decidimos cousiderar los sistemas como abiertos, cerrados o aislados y no usar el término 1olum.en de control. Podemos argumentar en contra de esta terminología, pero creo que es la mejor forma de reducir el lenguaje al mínimo de palabras.
B capítulo 5 indica cómo describir el estado de un sistema. Primero, con ayuda de dia­ gramas de fases, describimos las tres fases comunes de Las sustancias -sólido, líquido y vapor-. Introducimos las relaciones de presión-volumen-temperaturn, explicando cuándo suponer que un sistema es un gas perfecto o un sólido o líquido iDCompresible. Examina­ mos los gases y los líquidos compresibles, y también meocionamos otros modelos. Presen­ tarnos ecuaciones para pronosticar la energía interna y la entalpía a partir de la temperatura. Damos mayor atención a los gases perfectos y a los líquidos o sólidos incompresibles y ¡:resentamos algunos métodos expecimentales para medir los cambios de energía interna o de entalpía, y a continuación se toma el tema de las sustal!Cias puras. Usamos, en furma ex­ tensa,las referencias a las tablas de propiedades en el apéndice {apéndice B).
B capítulo 6 es algo así como un recipiente de la conservación de la energía. El mate­ rial se ha revisado y ampliado de manera exhaustiva, en comparación con las ediciones an­ teriores; con especial atención a los procesos de sustancias puras distintas de los gases ideales. El dominio del material de este capítulo sería un buen indicador de lo comprendi­ cb en los capítulos anteriores.
En capítulo 7 presenta la entropía a través de los conceptos de un dispositivo cíclico y de máquinas térmicas. Es difícil presentar una abstracción como la entropía, pero el tex­ to demuestra claramente su utilidad. Tema de suma importancia si los alumnos van a usar la termodinámica en sus actividades profesionales.
Qmtinuamos con los conceptos de energía disponible con base en la idea del trabajo útil y de las definiciones de irrevec;ibilidad. Una cousideración de la energía por sí misma,
RECONOCIMIENTOS
PreFacio ix
aun teniendo cierta idea de la segunda ley de la termodinámica, puede llevar a algunos con­ ceptos aparentemente erróneos sobre las posibilidades de las máquinas térmicas, los acumu­ ladores y demás dispositivos de potencia. Si hay restricciones de tiempo, podemos omitir, sin J:erder continuidad, lo referente a la energía disponible, que aparece en el capítulo 8.
B material de los capítulos 9 a 14 representa aplicaciones de la termodinámica, que con Jrecuencia se llaman energfa tbmica. Cada capítulo es razonablemente independiente y cistinto, e incluye temas como los dispositivos tecnológicos existentes y el análisis termo­ dinámico de ellos. En los capítulos 13 y 14 examinamos las mezclas, con más detalle que en la quinta edición. El capítulo 13 trata las mezclas de gases ideales, y gases y vapores inertes. Damos máxima atención a la psicrometría, en especial de mezclas de aire y agua. B capítulo 14trata la combustión de mezclas de combustible y aire. A este tema seguramen­ te le darán mucha importancia los ingenieros y técnicos en los próximos años, dado que es ciñcil que se queden sólo en el poder calorífico de los combustibles. Los conceptos de con­ taminación de aire y emisión de desechos son dos temas donde intervienen los procesos de combustión, y que en el futuro (realmente en el presente) necesitaránatención especial.
Fn el capítulo 15 describimos los elementos de la transferencia de calor. Aunque no po­ demos cubrir este tema en forma adecuada en un sólo capítulo, esperamos cubrir los pro­ liemas más importantes y directos. Muchos planes de estudio de tecnología de ingeniería m tienen un curso de transferencia de calor, o no se les pide a los alumnos que se inscriban en un curso de termociencias más allá de la termodinámica básica. Dedicamos este capítu­ lo, en forma expresa, a esos estudiantes. También podría servir como repaso en la prepara­ ción individual para exámenes profesionales.
B capítulo 16 describe la calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire (HVAC, p:>r sus siglas en inglés). Aquí lo importante es la forma en que podemos aplicar la termo­ dinámica y la transferencia de calor a un campo muy práctico, orientado al servicio. Si le interesa este tema seria bueno cubrir el material del capítulo 15 antes de entrar de lleno al del capítulo 16.
B capítulo 17 contiene algunas aplicaciones no tradicionales de la termodinámica; es­ to con la intención de mostrar cómo usar los conceptos de la termodinámica para analizar cualquier sistema.
le sugerimos utilizar este libro en el siguiente orden para un curso de tres semestres­ rora de termodinámica: capítulos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y, al menos, 9, l1 y 12. Los profesores que desean otras sugerencias de secuencias posibles consulten el Manual de Soluciones para el Profesor.
Es muy grato ver que haya tantos usuarios fieles a este texto desde sus ediciones ante­ dores. Agradezco a cada uno de ellos su constancia. Corno en todas mis actividades anterio­ res de autoría, he recibido mucha ayuda y guía de otras personas. Asumo todos los errores como míos, y solicito que cualqnier otro error que encuentren me lo comuniquen a mí direc­ tamente. Además, si desea poneo¡e en contacto conmigo sobre cualquier terna referente a este libro, lo haga a través de mi correo electrónico: ROLLE@UWPLATT.EDU.
~eo agradecer a, S. Kant Vajpayee, de la Universidad deL Sur de Mississippi, y a Abulk­ bair M. Masoom, de la Universidad de Wisconsin-Platteville, la revisión del texto de esta edición.
Contenido
1 Introducción 1 1-1 Algunas razones para estudiar termodinámica l 1-2 Antecedentes históricos de la termodinámica 6 1-3 Magnitudes y sistemas de unidades básicos 1 O 1-4 Cálculos termodinámicos y simplificación de unidades 12 1-5 Oros cálculos termodinámicos 14 1--{) Método para resolver problemas 23 1-7 Métodos de cómputo para problemas termodinámicos 24 1-8 Resumen 30 Problemas de práctica 31
2 El sistema termodinámico 34 2-1 El sistema 34 2-2 Teoría elemental de la materia 36 2-3 Propiedad 40 2-4 Estado de un s istema 40 2-5 Proceso 40 U Ocios y dispositivos cíclicos 40 2-7 ~o y masa 41 2-8 \Qiumen, densidad y presión 44 2-9 Fqnilibrio y ley cero de la termodinámica 57 2-10 'Thmperatura y termómetros 58 2-11 Energía 65 2-12 Eficiencia 68 2-13 Repaso a las unidades 69 2-14 Resumen 70 Problemas de práctica 71
3 Trabajo, calor y reversibilidad 76 3-1 Trabajo 76 3-2 l\Jtencia 88 3-3 Calor 91 3-4 Reversibilidad 91 3-5 Equivalencia mecánica del calor 95 3--{) lipos de siste-mas 96 3-7 las formas de energía 96 3-8 Resumen 97 Problemas de práctica 98
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Conservación de masa y primera ley delatermodinánrica 4-1 ConseiVación de masa 104 4-2 Flujo estacionaóo 108 4-3 Flujo uniforme 11 O 4-4 ConseiVación de energía 115 4-S Primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado 118 4-6 Primera ley de la termodinámica para un sistema aislado 119 4-7 Flujo de energía y la entalpía 121 4-8 Primera ley de la termodinámica para un sistema abierto 124 4-9 Resumen 130 Problemas de práctica 132
Ecuaciones de estado y calorimetría S-1 Ecuaciones de estado y sustancias puras 139 S-2 Relaciones presión-volumen-temperatura 142 S-3 Ecuaciones calóricas de estado 150 5-4 Calorimetría l61 S-S Propiedades de las sustancias puras 165 S-6 Resumen 171 Problemas de práctica 173
Procesos 6-1 Procesos de gases perfectos 176 6-2 Procesos adiabáticos de gases perfectos 189 6-3 Procesos de gases compresibles 196 6-4 Procesos de lfquidos incompresibles 199 6-5 Procesos de sólidos 20 1 tHi Procesos de sustancias puras 204 6-7 Resumen 213 Problemas de práctica 215
Máquinas térmicas y la segunda ley de la termodinánrica 7-1 Máquinas térmicas y dispositivos cíclicos 222 7-2 Máquina de Camot y la entropía 224 7-3 Fficiencia térmica 231 7-4 actos de refrigeración y bomba de calor 232 7-5 Segunda ley de la termodinámica 238 74J Entropía y reversib ilidad 241 7-7 Cambios de entropía 242 7-8 El proceso isentr6pico 249 7-9 Tercera ley de la termodinámica 252 7-10 Análisis del ciclo de Carnot 253 7-11 Resumen 259 Problemas de práctica 262
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Contenido
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Disponibilidad y trabajo útil S-1 Trabajo útil 266 S-2 Disponibilidad 269 S-3 Degradación de la energía 272 8-4 Energía libre 278 S-5 Resumen 280 Problemas de práctica 280
El motor de combustión interna y los ciclos Otto y Diesel 9-1 El motor de combustión interna 283 9-2 B ciclo Otto ideal y el análisis estándar con aire 283 9-3 Fficiencia del ciclo Otto 296 9-4 El motor Otto real 299 9-5 El motor Diesel y el análisis estándar con aire 312 9-6 Comparación entre motores Diesel y Otto 319 9-7 B ciclo dual 320 9-8 Análisis con computadora 322 9-9 Consideraciones en el diseño del motor 324 9-10 Resumen 328 Problemas de práctica 329
Turbinas de gas, propulsión a reacción y el ciclo Brayton 10-1 B ciclo Brayton ideal y el motor de turbina de gas 333 10-2 la turbina de gas 336 10-3 Combustores y compresores 339 10-4 Toberas y difusores 342 10-5 la turbina de gas y el análisis estándar con aire 349 10-ó Gclos regenerativos 356 10-7 Propulsión a chorro 359 10-8 Cobetes 364 10-9 Análisis de la. turbina de gas auxiliado por computadora 366 10-10 Resumen 367 Problemas de práctica 368
Generación de electricidad con vapor y el ciclo Rankine 11-1 B ciclo Rankine 374 11-2 Calderas y generadores de vapor 375 11-3 Turbinas de vapor 377 11-4 Bombas 379 11-5 Condensadores 380 11-ó B vapor como fluido de trabajo 381
xiü
266
282
333
373
11-7 Análisis de los ciclos de generación de potencia con vapor 391 11-8 B ciclo de recalentamiento 396 11-9 El ciclo regenerativo 400
xiv Contenido
11-10 B ciclo regenerativo con recalentamiento 405 11-11 Otras consideraciones en el ciclo Rankine 412 11-12 Resumen 414 Problemas de práctica 416
12 Refrigeración y bombas de calor 421 12-1 B ciclo de Camot invertido 421 12-2 Qclos de compresión de vapor 425 12-3 Análisis de sistemas de refrigeración con compresión de vapor 429 12-4 B ciclo Brayton invertido, o ciclo de aire 434 12-5 Refrigeración por absorción de amoniaco 442 12-6 Oiogénica y licuefacción de gases 444 12-7 Bombas de calor 446 12-8 Resumen 450 Problemas de práctica 451
13 Mezclas 13-1 Análisis de mezclas 454 13-2 Mezclas de gases peúectos 458 13-3 Mezclas de agua y aire, y la carta psicrométrica 461 13-4 Prooesos de las mezclas de aire-agua 467 13-5 R>tencial químico 478 13-6 Difusión 480 13-7 Comportamiento de cambio de fase de una mezcla 483 13-8 Resumen 488 Problemas de prá.ctica 491
14 Mezclas reaccionantes y combustión
15
14-1 Prooeso de combustión 493 14-2 Combustibles 495 14-3 Relaciones aire/combustible 497 14-4 Calor de formación 498 14-5 Análisis de la combustión 499 14-6 Temperatura de combustión adiabática 14-7 Generación de entropía en la combustión 14-8 Resumen 507 Problemas de práctica 509
Transferencia de calor
503 504
15-1 Transferencia de calor por conducción 512 15-2 Transferencia de calor por convección 520 15-3 Aplicaciones con conducción y convección combinadas 521 15-4 Convección forzada 534 15-5 Convección natural 540 15-6 Transferencia de calor por radiación 545 15-7 Jntercambiadores de calor 555 15-8 Resumen 560 Problemas de práctica 564
454
493
511
Contenido
16 Calefacción y .acondicionamiento de aire 16-1…