Termodinámica 7ma edicición, Cengel

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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 1 550 in2 10.764 ft2

1 ft2 144 in2 0.09290304* m2

Densidad 1 g/cm3 1 kg/L 1 000 kg/m3 1 g/cm3 62.428 lbm/ft3 0.036127 lbm/in3 1 lbm/in3 1 728 lbm/ft3

1 kg/m3 0.062428 lbm/ft3

Energa, calor, trabajo, 1 kJ 1 000 J 1 000 N m 1 kPa m3 1 kJ 0.94782 Btu energa interna, 1 kJ/kg 1 000 m2/s2 1 Btu 1.055056 kJ entalpa 1 kWh 3 600 kJ 5.40395 psia ft3 778.169 lbf ft 1 cal 4.184 J 1 Btu/lbm 25 037 ft2/s2 2.326* kJ/kg 1 IT cal 4.1868 J 1 kJ/kg 0.430 Btu/lbm 1 Cal 4.1868 kJ 1 kWh 3 412.14 Btu 1 termia 105 Btu 1.055 105 kJ (gas natural)

Fuerza 1 N 1 kg m/s2 105 dina 1 N 0.22481 lbf 1 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 F ferencia de calor

Longitud 1 m 100 cm 1 000 mm 106 mm 1 m 39.370 in 3.2808 ft 1.0926 yd 1 km 1 000 m 1 ft 12 in 0.3048* m 1 milla 5 280 ft 1.6093 km 1 in 2.54* cm

Masa 1 kg 1 000 g 1 kg 2.2046226 lbm 1 tonelada mtrica 1 000 kg 1 lbm 0.45359237* kg 1 onza 28.3495 g 1 slug 32.174 lbm 14.5939 kg 1 ton corta 2 000 lbm 907.1847 kg

Potencia, velocidad 1 W 1 J/s 1 kW 3 412.14 Btu/h de transferencia 1 kW 1 000 W 1.341 hp 737.56 lbf ft/s de 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/h 1 Btu/h 1.055056 kJ/h 1 ton de refrigeracin 200 Btu/min

Presin 1 Pa 1 N/m2 1 Pa 1.4504 104 psia 1 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 C 1 Btu/lbmol R 4.1868 kJ/kmol K 1 kJ/kg C 0.23885 Btu/lbm F

0.23885 Btu/lbm R

* Factores de 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 calor especfico del agua a 15C. La calora termoqumica, por lo general preferida por los fsicos, es exactamente 4.184 J por definicin y corresponde al calor especfico del agua a temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es aproximadamente 0.06 por ciento, lo cual es despreciable. La Calora con inicial mayscula utilizada por los nutrilogos en realidad es una kilocalora (1 000 caloras IT).

Factores de conversin


Tasa de flujovolumtrico

DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS

Volumen especfico 1 m3/kg 1 000 L/kg 1 000 cm3/g 1 m3/kg 16.02 ft3/lbm 1 ft3/lbm 0.062428 m3/kg

Temperatura T(K) T(C) 273.15 T(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 F trmica

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

Volumen 1 m3 1 000 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 L 1 fl onza 29.5735 cm3 0.0295735 L 1 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 2 118.9 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 1 545.37 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 2 256.5 kJ/kg 970.12 Btu/lbm


TERMODINMICA

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TERMODINMICA

MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALASAO PAULO MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGOAUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI

SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO

SPTIMA EDICIN

YUNUS A. ENGELUniversity of Nevada, Reno

MICHAEL A. BOLESNorth Carolina State University

Mximo CargneluttiInstituto Tecnolgico y

de Estudios Superiores de MonterreyCampus Quertaro, Mxico

Javier Len Crdenas Universidad La Salle,

Mxico

Revisin tcnica

Abraham L. Martnez BautistaUniversidad Nacional Autnoma de Mxico

Covadonga Palencia CotoUniversidad de Len,

Espaa

Armando Sansn OrtegaInstituto Tecnolgico y

de Estudios Superiores de MonterreyCampus Toluca, Mxico

Guillermo Eduardo Meja HernndezInstituto Tecnolgicode Quertaro, Mxico

Alejandro Rojas TapiaUniversidad Nacional Autnoma de Mxico

Olatz Ukar ArrienUniversidad de Deusto,

Espaa

Ignacio Apraiz BuesaEHU-Universidad del Pas Vasco, Espaa

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Director General Mxico: Miguel ngel Toledo CastellanosEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezCoordinadora editorial: Marcela I. Rocha MartnezEditora de desarrollo: Ana Laura Delgado RodrguezSupervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

Traduccin: Virgilio Gonzlez y Pozo() / Sergio Sarmiento Ortega

TERMODINMICASptima edicin

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

DERECHOS RESERVADOS 2012, 2009 respecto a la cuarta 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

ISBN 978-607-15-0743-3ISBN 978-970-10-7286-8 (de la edicin anterior)

Traducido de la sptima edicin en ingls de: Thermodynamics. An Engineering Approach. Copyright 2011 byThe McGraw-Hill Companies, Inc. New York, N.Y., U.S.A. All rights reserved.

ISBN 978-0-07-352932-5

1234567890 1345678902

Impreso en Mxico Printed in Mexico

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La mente es como un paracadas: trabaja slo cuando est abierta.Annimo

Las leyes de la naturaleza constituyen el gobierno invisible de la tierra.Alfred A. Montapert

La verdadera medida de un hombre es la forma en que trata a alguienque no puede hacerle absolutamente ningn bien.

Samuel Johnson

La grandeza estriba no en ser fuerte, sino en el uso correcto de la fuerza.Henry W. Beecher

El hombre superior es modesto en su habla,pero se excede en sus acciones.

Confucio

Trata de no ser un hombre de xito, sino ms bien un hombre de valor.Albert Einstein

Ignorar el mal es volverse su cmplice.Martin Luther King Jr.

El carcter, a la larga, es el factor decisivo en la vidatanto de un individuo como en la vida de las naciones.

Theodore Roosevelt

Una persona que ve el bien en las cosas tiene buenos pensamientos.Y quien tiene buenos pensamientos, recibe placer de la vida.

Said Nursi

Para mentes diferentes, la misma palabra es un infierno y un cielo.Ralph W. Emerson

Un lder es aquel que ve ms de lo que ven los dems, que ve ms lejosque lo que ven los dems, y que ve antes de que los dems vean.

Leroy Eims

Nunca confundas el conocimiento con la sabidura.Uno te ayuda a ganarte la vida; el otro te ayuda a construir una vida.

Sandra Cary

Como una sola persona, no puedo cambiar el mundo,pero puedo cambiar el mundo de una persona.

Paul S. Spear

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Yunus A. engel es profesor emrito de Ingeniera Mecnica en Univer-sity of Nevada, en Reno. Obtuvo su licenciatura en ingeniera mecnica en Istanbul Technical University, y su maestra y doctorado en ingeniera mec-nica en la North Carolina State University. Sus reas de investigacin son energas renovables, la desalacin, el anlisis de exerga y energa y la con-servacin. Fue director del Industrial Assessment Center de University of Nevada, de 1996 a 2000. Ha presidido grupos de estudiantes de ingeniera en numerosas instalaciones manufactureras del norte de Nevada y de California, donde hizo evaluaciones industriales, y prepar informes de conservacin de energa, minimizacin de desperdicios y aumento de produccin para esas empresas.

El doctor Cengel es coautor de Mecnica de fluidos (segunda edicin, 2012) y de Transferencia de calor y masa (cuarta edicin, 2011), publicados en espaol por McGraw-Hill. Asimismo, ha escrito los ttulos: Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences (tercera edicin, 2008), Introduction to Thermo-dynamics and Heat Transfer (segunda edicin, 2008), Essentials of Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications (primera edicin, 2008), tambin publicados por McGraw-Hill. Algunos de sus textos han sido traducidos, ade-ms de al espaol, al chino, japons, coreano, tailands, portugus, turco, ita-liano, griego y francs.

engel recibi varios y notables premios a la enseanza, as como el pre-mio al Autor Distinguido que otorga ASEE Meriam/Wiley, en 1992, y en 2000, por su autora de excelencia. Es un ingeniero profesional registrado en el estado de Nevada y es miembro de American Society of Mechanical Engi-neers (ASME), y de American Society for Engineering Education (ASEE).

Michael A. Boles es profesor asociado de Ingeniera Mecnica y Aero-espacial en North Carolina State University, donde obtuvo su doctorado en ingeniera mecnica, y fue nombrado Profesor Distinguido por los alumnos. El doctor Boles ha recibido numerosos premios y reconocimientos por su excelencia como profesor de ingeniera. Recibi el Premio Ralph R. Teetor de Educacin, de la SAE, y dos veces fue electo para la Academia de Profe-sores Distinguidos de North Carolina State University. La seccin estudiantil ASME de esa universidad lo ha reconocido en forma consistente como Profe-sor Notable del Ao, y como el miembro docente con mayor impacto en los alumnos de ingeniera mecnica.

Se especializa en transferencia de calor, e intervino en la solucin anal-tica y numrica de cambio de fase y secado de medios porosos. Es miembro de la American Society for Engineering Education (ASEE) y Sigma Xi. El Dr. Boles recibi el Premio al Autor Distinguido de ASEE Meriam/Wiley, en 1992, por sus excelentes autoras.

ACERCA DE LOS AUTORES

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CAPTULO 1IN TRO DUC CIN Y CON CEP TOS B SI COS 1

CAPTULO 2ENER GA, TRANS FE REN CIA DE ENER GA Y AN LI SIS GE NE RAL DE LA ENER GA 51

CAPTULO 3PRO PIE DA DES DE LAS SUS TAN CIAS PU RAS 111

CAPTULO 4AN LI SIS DE ENER GA DE SIS TE MAS CE RRA DOS 165

CAPTULO 5AN LI SIS DE MA SA Y ENER GA DE VO L ME NES DE CON TROL 219

CAPTULO 6LA SE GUN DA LEY DE LA TER MO DI N MI CA 279

CAPTULO 7ENTROPA 331

CAPTULO 8EXER GA: UNA ME DI DA DEL POTENCIAL DE TRA BA JO 427

CAPTULO 9CI CLOS DE PO TEN CIA DE GAS 491

CAPTULO 10CI CLOS DE PO TEN CIA DE VA POR Y COM BI NA DOS 559

CAPTULO 11CI CLOS DE RE FRI GE RA CIN 615

CAPTULO 12RE LA CIO NES DE PRO PIE DA DES TER MO DI N MI CAS 667

CAPTULO 13MEZ CLA DE GA SES 699

CAPTULO 14MEZ CLAS DE GAS-VA POR Y ACON DI CIO NA MIEN TO DE AI RE 737

CAPTULO 15REAC CIO NES QU MI CAS 771

CAPTULO 16EQUI LI BRIO QU MI CO Y DE FA SE 815

CAPTULO 17FLU JO COM PRE SI BLE 847

APNDICE 1TA BLAS DE PRO PIE DA DES, FI GU RAS Y DIA GRA MAS (UNI DA DES SI) 907

APNDICE 2TA BLAS DE PRO PIE DA DES, FI GU RAS Y DIA GRA MAS (UNI DA DES IN GLE SAS) 957

CONTENIDO BREVE

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CONTENIDO

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 dimensionesy unidades 3Algunas unidades SI e inglesas 6Homogeneidad dimensional 8Relaciones de conversin de unidades 9

1-3 Sistemas cerrados y abiertos 10

1-4 Propiedades de un sistema 12Continuo 12

1-5 Densidad y densidad relativa 13

1-6 Estado y equilibrio 14Postulado de estado 14

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

1-8 Temperatura y ley cerode 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 29

1-12 Tcnica para resolver problemas 33Paso 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

Resumen 39Referencias y lecturas recomendadas 39Problemas 40

CAPTULO 2ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGAY ANLISIS GENERAL DE ENERGA 51

2-1 Introduccin 52

2-2 Formas de energa 53Algunas consideraciones fsicas en relacin

con la energa interna 55Ms 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 esmog 87Lluvia cida 88Efecto invernadero: calentamiento global

y cambio climtico 89

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

CAPTULO 3PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 111

3-1 Sustancia pura 112

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xiiiCONTENIDO

3-2 Fases de una sustancia pura 112

3-3 Procesos de cambio de faseen 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 dela desviacin del comportamientode 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 149Resumen 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 parasistemas cerrados 173

4-3 Calores especficos 178

4-4 Energa interna, entalpa y caloresespecficos 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 termodinmicosde los sistemas biolgicos 193Resumen 200Referencias y lecturas recomendadas 201Problemas 201

CAPTULO 5ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENESDE 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 estacionario 223Caso especial: flujo incompresible 224

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

5-3 Anlisis de energa de sistemasde flujo estacionario 230

5-4 Algunos dispositivos de ingeniera de flujo estacionario 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 flujono estacionario 246

Tema de inters especial:Ecuacin general de energa 251Resumen 254Referencias y lecturas recomendadas 255Problemas 255

CAPTULO 6LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA 279

6-1 Introduccin a la segunda ley 280

6-2 Depsitos de energa trmica 281

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 289Desempeo de refrigeradores, acondicionadores de

aire y bombas de calor 290

CONTENIDO

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xivCONTENIDO

La segunda ley de la termodinmica:enunciado de Clausius 292

Equivalencia de los dos enunciados 293

6-5 Mquinas de movimiento perpetuo 294

6-6 Procesos reversibles e irreversibles 296Irreversibilidades 297Procesos interna y externamente reversibles 298

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

6-8 Principios de Carnot 301

6-9 Escala termodinmica de temperatura 303

6-10 La mquina trmica de Carnot 305Calidad de la energa 307Cantidad contra calidad en la vida diaria 307

6-11 El refrigerador de Carnoty la bomba de calor 308

Tema de inters especial:Refrigeradores domsticos 311Resumen 315Referencias y lecturas recomendadas 316Problemas 316

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 339

7-4 Procesos isentrpicos 343

7-5 Diagramas de propiedadesque involucran a la entropa 344

7-6 Qu es la entropa? 346La entropa y la generacin de entropa en la vida diaria 348

7-7 Las relaciones T ds 350

7-8 Cambio de entropa de lquidos y slidos 351

7-9 Cambio de entropa de gases ideales 354Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 355Calores especficos variables (anlisis exacto) 356Procesos isentrpicos de gases ideales 358Calores especficos constantes

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

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

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

7-11 Minimizacin del trabajo del compresor 366Compresin en etapas mltiples con interenfriamiento 367

7-12 Eficiencias isentrpicas de dispositivosde flujo estacionario 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, Ssistema 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 388

Tema de inters especial:Reduccin del costo del aire comprimido 390Resumen 400Referencias y lecturas recomendadas 401Problemas 402

CAPTULO 8EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIALDE TRABAJO 427

8-1 Exerga: potencial de trabajode la energa 428Exerga (potencial de trabajo) asociada

con la energa cintica y potencial 429

8-2 Trabajo reversible e irreversibilidad 431

8-3 Eficiencia segn la segunda ley, hII 436

8-4 Cambio de exerga de un sistema 439Exerga de una masa fija: exerga sin flujo (o de sistema

cerrado) 439Exerga de una corriente de flujo: exerga de flujo (o

corriente) 442

8-5 Transferencia de exerga por calor,trabajo y masa 445Transferencia de exerga por calor, Q 445Transferencia de exerga por trabajo, W 446Transferencia de exerga por masa, m 447

8-6 Principio de disminucin de exergay destruccin de exerga 447Destruccin de exerga 448

8-7 Balance de exerga: sistemas cerrados 449

8-8 Balance de exerga: volmenesde control 460Balance de exerga para sistemas de flujo estacionario 461Trabajo reversible, Wrev 462Eficiencia segn la segunda ley para dispositivos de flujo

estacionario, hII 462

CONTENIDO

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xvCONTENIDO

Tema de inters especial:Aspectos cotidianos de la segunda ley 468Resumen 473Referencias y lecturas recomendadas 474Problemas 474

CAPTULO 9CICLOS DE POTENCIA DE GAS 491

9-1 Consideraciones bsicas para el anlisisde los ciclos de potencia 492

9-2 El ciclo de Carnot y su valor en ingeniera 494

9-3 Suposiciones de aire estndar 496

9-4 Breve panorama de las mquinasreciprocantes 497

9-5 Ciclo de Otto: el ciclo ideal para lasmquinas de encendido por chispa 498

9-6 Ciclo Diesel: el ciclo ideal para las mquinasde encendido por compresin 504

9-7 Ciclos Stirling y Ericsson 507

9-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal paralos motores de turbina de gas 511Desarrollo de las turbinas de gas 514Desviacin de los ciclos reales de turbina de gas

en comparacin con los idealizados 517

9-9 Ciclo Brayton con regeneracin 519

9-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento,recalentamiento y regeneracin 521

9-11 Ciclos ideales de propulsin por reaccin 525Modificaciones para motores de turborreactor 529

9-12 Anlisis de ciclos de potencia de gascon base en la segunda ley 531

Tema de inters especial:Ahorro de combustible y dineroal manejar con sensatez 534Resumen 541Referencias y lecturas recomendadas 543Problemas 543

CAPTULO 10CICLOS DE POTENCIA DE VAPORY COMBINADOS 559

10-1 El ciclo de vapor de Carnot 560

10-2 Ciclo Rankine: el ciclo idealpara los ciclos de potencia de vapor 561Anlisis de energa del ciclo Rankine ideal 562

10-3 Desviacin de los ciclos de potencia devapor reales respecto de los idealizados 565

10-4 Cmo incrementar la eficienciadel ciclo Rankine? 568Reduccin de la presin del condensador (reduccin de

Tbaja,prom) 568Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas

(incremento de Talta,prom) 569Incremento de la presin de la caldera (incremento de

Talta,prom) 569

10-5 El ciclo Rankine idealcon recalentamiento 572

10-6 El ciclo Rankine ideal regenerativo 576Calentadores abiertos de agua de alimentacin 576Calentadores cerrados de agua de alimentacin 578

10-7 Anlisis de ciclos de potenciade vapor con base en la segunda ley 584

10-8 Cogeneracin 587

10-9 Ciclos de potencia combinadosde gas y vapor 591

Tema de inters especial:Ciclos binarios de vapor 594Resumen 597Referencias y lecturas recomendadas 597Problemas 598

CAPTULO 11CICLOS DE REFRIGERACIN 615

11-1 Refrigeradores y bombas de calor 616

11-2 El ciclo invertido de Carnot 617

11-3 El ciclo ideal de refrigeracinpor compresin de vapor 618

11-4 Ciclo real de refrigeracinpor compresin de vapor 622

11-5 Anlisis de la segunda ley del ciclode refrigeracin por compresin de vapor 624

11-6 Seleccin del refrigerante adecuado 629

11-7 Sistemas de bombas de calor 631

11-8 Sistemas innovadores de refrigeracinpor compresin de vapor 633Sistemas de refrigeracin en cascada 633Sistemas de refrigeracin por compresin de

mltiples etapas 636Sistemas de refrigeracin de propsito mltiple

con un solo compresor 638Licuefaccin de gases 639

11-9 Ciclos de refrigeracin de gas 641

11-10 Sistemas de refrigeracin por absorcin 644

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xviCONTENIDO

Tema de inters especial:Sistemas termoelctricos de generacinde potencia y de refrigeracin 647Resumen 649Referencias y lecturas recomendadas 650Problemas 650

CAPTULO 12RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS 667

12-1 Un poco de matemticas: derivadasparciales y relaciones asociadas 668Diferenciales parciales 669Relaciones de derivadas parciales 671

12-2 Relaciones de Maxwell 672

12-3 La ecuacin de Clapeyron 674

12-4 Relaciones generales paradu, dh, ds, cv y cp 677Cambios en la energa interna 677Cambios de entalpa 678Cambios de entropa 679Calores especficos cv y cp 680

12-5 El coeficiente de Joule-Thomson 684

12-6 Las h, u y s de gases reales 685Cambios en la entalpa de gases reales 686Cambios de energa interna de gases ideales 687Cambios de entropa de gases reales 687


CAPTULO 13MEZCLA DE GASES 699

13-1 Composicin de una mezcla de gases:fracciones molares y de masa 700

13-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 702Mezclas de gases ideales 703Mezclas de gases reales 703

13-3 Propiedades de mezclas de gases:gases ideales y reales 707Mezclas de gases ideales 708Mezclas de gases reales 711

Tema de inters especial:Potencial qumico y el trabajode separacin de mezclas 715

Resumen 726

Referencias y lecturas recomendadas 727Problemas 727

CAPTULO 14MEZCLAS DE GAS-VAPORY ACONDICIONAMIENTO DE AIRE 737

14-1 Aire seco y aire atmosfrico 738

14-2 Humedad especfica y relativa del aire 739

14-3 Temperatura de punto de roco 741

14-4 Temperaturas de saturacinadiabtica y de bulbo hmedo 743

14-5 La carta psicromtrica 746

14-6 Comodidad humanay acondicionamiento de aire 747

14-7 Procesos de acondicionamiento de aire 749Calentamiento y enfriamiento simples (V = constante) 750Calentamiento con humidificacin 751Enfriamiento con deshumidificacin 752Enfriamiento evaporativo 754Mezclado adiabtico de flujos de aire 755Torres de enfriamiento hmedo 757


CAPTULO 15REACCIONES QUMICAS 771

15-1 Combustibles y combustin 772

15-2 Procesos de combustin terica y real 776

15-3 Entalpa de formacin y entalpade combustin 782

15-4 Anlisis de sistemas reactivoscon base en la primera ley 785Sistemas de flujo estacionario 786Sistemas cerrados 787

15-5 Temperatura de flama adiabtica 790

15-6 Cambio de entropade sistemas reactivos 793

15-7 Anlisis de sistemas reactivoscon base en la segunda ley 795

Tema de inters especial:Celdas de combustible 800Resumen 802Referencias y lecturas recomendadas 803Problemas 803

CONTENIDO

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xviiCONTENIDO

CAPTULO 16EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE 815

16-1 Criterio para el equilibrio qumico 816

16-2 La constante de equilibrio paramezclas de gases ideales 818

16-3 Algunas observaciones respectoa la Kp de las mezclas de gases ideales 822

16-4 Equilibrio qumico para reaccionessimultneas 826

16-5 Variacin de Kp con la temperatura 828

16-6 Equilibrio de fase 830Equilibrio de fase para un sistema

de un solo componente 830La regla de fases 831Equilibrio de fases para un sistema multicomponente 832


CAPTULO 17FLUJO COMPRESIBLE 847

17-1 Propiedades de estancamiento 848

17-2 Velocidad del sonido y nmero de Mach 851

17-3 Flujo isentrpico unidimensional 853Variacin de la velocidad del fluido

con el rea de flujo 856Relaciones de propiedades para el flujo

isentrpico de gases ideales 858

17-4 Flujo isentrpico a travsde toberas aceleradoras 860Toberas convergentes 860Toberas divergentes 865

17-5 Ondas de choque y ondas de expansin 869Choques normales 869Choques oblicuos 876Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 880

17-6 Flujo en un ducto con transferenciade calor, de friccin insignificante(flujo de Rayleigh) 884Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh 890Flujo de Rayleigh ahogado 891

17-7 TOBERAS DE VAPOR de agua 893


APNDICE 1TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURASY DIAGRAMAS (UNIDADES SI) 907

Tabla A-1 Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crtico 908

Tabla A-2 Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 909

Tabla A-3 Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 912

Tabla A-4 Agua saturada. Tabla de temperaturas 914

Tabla A-5 Agua saturada. Tabla de presiones 916Tabla A-6 Vapor de agua sobrecalentado 918Tabla A-7 Agua lquida comprimida 922Tabla A-8 Hielo saturado. Vapor de agua 923Figura A-9 Diagrama T-s para el agua 924Figura A-10 Diagrama de Mollier para

el agua 925

Tabla A-11 Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 926

Tabla A-12 Refrigerante 134a saturado. Tabla de presin 928

Tabla A-13 Refrigerante 134a sobrecalentado 929Figura A-14 Diagrama P-h para el

refrigerante 134a 931

Figura A-15 Carta generalizada de compresibilidadde Nelson-Obert 932

Tabla A-16 Propiedades de la atmsfera a gran altitud 933

Tabla A-17 Propiedades de gas ideal del aire 934Tabla A-18 Propiedades de gas ideal del nitrgeno,

N2 936

Tabla A-19 Propiedades de gas del oxgeno, O2 938

Tabla A-20 Propiedades de gas ideal del dixido de carbono, CO2 940

Tabla A-21 Propiedades de gas ideal del monxido de carbono, CO 942

Tabla A-22 Propiedades de gas ideal del hidrgeno, H2 944

Tabla A-23 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 945

Tabla A-24 Propiedades de gas ideal del oxgeno monoatmico, O 947

Tabla A-25 Propiedades de gas ideal del hidroxilo, OH 947

CONTENIDO

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xviiiCONTENIDO

Tabla A-26 Entalpa de formacin, funcin de Gibbs de formacin y entropa absoluta a 25C, 1 atm 948

Tabla A-27 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 949

Tabla A-28 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp 950

Figura A-29 Carta generalizada de desviacin de entalpa 951

Figura A-30 Carta generalizada de desviacin de entropa 952

Figura A-31 Carta psicromtrica a 1 atm de presin total 953

Tabla A-32 Funciones de flujo compresible unidimensional e isentrpico deun gas ideal con k 1.4 954

Tabla A-33 Funciones de choque normal unidimensional de un gas ideal con k 1.4 955

Tabla A-34 Funciones del flujo de Rayleigh para un gas ideal con k 1.4 956

APNDICE 2TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) 957

Tabla A-1E Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crtico 958

Tabla A-2E Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 959

Tabla A-3E Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 962

Tabla A-4E Agua sa tu ra da. Ta bla de tem pe ra tu ras 964

Tabla A-5E Agua sa tu ra da. Ta bla de pre sio nes 966

Tabla A-6E Va por de agua so bre ca len ta do 968Tabla A-7E Agua l qui da com pri mi da 972Tabla A-8E Hie lo sa tu ra do. Va por de agua 973Figura A-9E Dia gra ma T-s pa ra el agua 974Figura A-10E Dia gra ma de Mo llier pa ra el agua 975Tabla A-11E Re fri ge ran te 134a sa tu ra do. Ta bla

de tem pe ra tu ra 976

Tabla A-12E Re fri ge ran te 134a sa tu ra do. Ta bla de pre sin 977

Tabla A-13E Re fri ge ran te 134a so bre ca len ta do 978Figura A-14E Dia gra ma P-h pa ra re fri ge ran te

134a 980

Tabla A-16E Pro pie da des de la at ms fe ra a gran al ti tud 981

Tabla A-17E Pro pie da des de gas ideal del ai re 982Tabla A-18E Pro pie da des de gas ideal del ni tr ge no,

N2 984

Tabla A-19E Pro pie da des de gas ideal del ox ge no, O2 986

Tabla A-20E Pro pie da des de gas ideal del di xi do de car bo no, CO2 988

Tabla A-21E Pro pie da des de gas ideal del mo n xi do de car bo no, CO 990

Tabla A-22E Pro pie da des de gas ideal del hi dr ge no, H2 992

Tabla A-23E Pro pie da des de gas ideal del va por de agua, H2O 993

Tabla A-26E En tal pa de for ma cin, fun cin de Gibbs de for ma cin y en tro pa ab so lu ta a 77C, 1 atm 995

Tabla A-27E Pro pie da des de al gu nos com bus ti bles e hi dro car bu ros co mu nes 996

Figura A-31E Gr fi ca psi cro m tri ca a 1 atm de pre sin to tal 997

ndice analtico 999

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PREFACIO

ANTECEDENTESLa termodinmica es una materia excitante y fascinante que trata sobre la ener-ga, la cual es esencial para la conservacin de la vida mientras que la termodi-nmica ha sido por mucho tiempo una parte fundamental de los programas de estudio de ingeniera en todo el mundo. Es una ciencia que tiene una amplia aplicacin: desde los organismos microscpicos hasta los electrodomsticos, los vehculos de transporte, los sistemas de generacin de energa elctrica e incluso la filosofa. Este libro contiene material suficiente para dos cursos con-secutivos de termodinmica; se presupone que los estudiantes poseen antece-dentes slidos en fsica y clculo.

OBJETIVOSEsta obra est pensada para utilizarse por los estudiantes como libro de texto durante los ltimos aos de su licenciatura, as como por ingenieros como libro de referencia. Sus objetivos son:

Cubrir los principios bsicos de la termodinmica.

Presentar una vasta cantidad de ejemplos reales de ingeniera con la fina-lidad de proporcionar al estudiante una idea de cmo se aplica la termo-dinmica en la prctica de la ingeniera.

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

Se desea sobre todo que este libro mediante sus explicaciones claras sobre conceptos y del uso de numerosos ejemplos prcticos y figuras ayude a los estudiantes a desarrollar las habilidades bsicas para llenar el hueco que existe entre el conocimiento y la confianza para aplicar adecuadamente tal aprendizaje.

FILOSOFA Y OBJETIVOLa filosofa que contribuy a la enorme popularidad que gozaron las edicio-nes anteriores de esta obra se ha conservado intacta en esta nueva edicin. En particular, el objetivo ha sido proporcionar un libro de ingeniera que:

Llegue directamente y de una manera sencilla pero precisa a la mente de los futuros ingenieros.

Conduzca a los estudiantes a una comprensin clara y un conocimiento slido de los principios bsicos de la termodinmica.

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

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

Se ha hecho un esfuerzo especial para incrementar la curiosidad natural de los lectores y ayudar a los estudiantes a explorar las diversas facetas del emo-

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cionante tema de la termodinmica. La respuesta entusiasta que hemos recibido por parte de los usuarios de ediciones anteriores desde pequeas escuelas hasta grandes universidades alrededor del mundo indica que nuestros objeti-vos se han alcanzado en buena parte. En nuestra filosofa, creemos que la mejor forma de aprender es a travs de la prctica, por lo tanto se ha realizado un esfuerzo especial a lo largo de todo el libro para reforzar el material que se pre-sent en ediciones anteriores. Anteriormente, los ingenieros pasaban una gran parte de su tiempo sustituyendo valores en las frmulas y obteniendo resultados numricos. Sin embargo, ahora la manipulacin de frmulas y el procesamiento de datos numricos se dejan principalmente a las computadores. El ingeniero del maana deber tener una comprensin clara y conocimientos firmes sobre los principios bsicos de modo que pueda entender incluso los problemas ms complejos, formularlos e interpretar los resultados. Nos esforzamos por enfati-zar estos principios bsicos y adems de ofrecer a los estudiantes un panorama del uso que se da a las computadores en la prctica de la ingeniera.

En todo el libro se utiliza el enfoque tradicional clsico o macroscpico, con argumentos microscpicos de apoyo. Este enfoque est ms acorde con la intuicin de los estudiantes y hace mucho ms fcil el aprendizaje de la materia.

LO NUEVO EN ESTA EDICINEl cambio principal en esta sptima edicin lo constituyen las mejoras de un gran nmero de ilustraciones lineales para convertirlas en figuras tridimensio-nales realistas; y la inclusin de alrededor de 400 problemas nuevos. Se conser-van todas las caractersticas sobresalientes de las ediciones anteriores, y el cuerpo principal de todos los captulos, adems de que las tablas y grficas en los apndices permanecen sin cambios en su mayora. Cada captulo contiene ahora por lo menos un nuevo problema de ejemplo resuelto, y una parte im-portante de los problemas existentes estn modificados. En el captulo 1, se actualiz la seccin de dimensiones y unidades, y se ha agregado una nueva subseccin al captulo 6 sobre el desempeo de refrigeradores, acondiciona-dores de aire y bombas trmicas. En el captulo 8, se ha puesto al da el mate-rial sobre la eficiencia de segunda ley, y algunas definiciones de eficiencia de segunda ley se revisaron para darles coherencia. Asimismo, se han extendido en la seccin las exposiciones sobre aspectos de la vida diaria en relacin con la segunda ley. El captulo 11 tiene ahora una nueva seccin que se titula Anli-sis de la segunda ley del ciclo de refrigeracin por compresin de vapor.

MS DE 400 PROBLEMAS NUEVOSEsta edicin incluye ms de 400 problemas nuevos con una diversidad de apli-caciones. Los problemas cuyas soluciones exigen investigaciones paramtricas y, por lo tanto, el uso de una computadora, se identifican por el cono . Algu-nos problemas existentes en ediciones anteriores se han eliminado del texto.

HERRAMIENTAS PARA EL APRENDIZAJEINTRODUCCIN TEMPRANA A LA PRIMERA LEYDE LA TERMODINMICALa primera ley de la termodinmica se presenta al principio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y anlisis general de energa. Este captulo introductorio conforma el marco para establecer una comprensin general de las diferentes formas de la energa, los mecanismos para la transferencia de energa, el concepto de balance de energa, la economa termodinmica, la con-

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versin de energa y la eficiencia de conversin, mediante el uso de escenarios familiares dentro de los que se incluyen formas de energa elctrica y mecnica, principalmente. Asimismo, en las primeras etapas del curso se exponen a los estudiantes algunas aplicaciones formidables de la termodinmica en la vida real, que les ayuda a crear conciencia del valor econmico de la energa. Vale sealar el nfasis en la utilizacin de energa renovable, como la elica y la hidrulica, y el uso eficiente de los recursos existentes.

NFASIS EN LA FSICAUna caracterstica distintiva de este libro es el nfasis en los aspectos fsicos del tema, adems de las representaciones y manipulaciones. Los autores creen que el nfasis en la educacin de licenciatura debe ser desarrollar un sentido de los mecanismos fsicos subyacentes, y un dominio de solucin de proble-mas prcticos que es probable que un ingeniero deba encarar en el mundo real. El desarrollo de una comprensin intuitiva en el transcurso del curso de Termodinmica debe ser algo motivador y valioso para los estudiantes.

USO EFICIENTE DE LA ASOCIACINUna mente observadora no debe tener dificultades para comprender las ciencias de la ingeniera. Despus de todo, los principios de estas ciencias se basan en experiencias cotidianas y observaciones experimentales. A lo largo de la obra se usar un enfoque intuitivo ms fsico y con frecuencia se realizan similitudes entre el tema en cuestin y las experiencias diarias de los estudiantes, de modo que puedan relacionar la materia estudiada con lo que saben de antemano. El proceso de cocinar, por ejemplo, sirve como un excelente vehculo para demos-trar los principios bsicos de la termodinmica.

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 los estudiantes, no por encima de ellos; de hecho, se presta para el autoaprendi-zaje. La secuencia de la cobertura del material va de lo simple a lo general. Es decir, comienza con el caso ms simple y agrega complejidad de forma gradual. De esta manera los conceptos bsicos se aplican repetidamente a sis-temas distintos, por lo que los estudiantes adquieren un dominio de cmo aplicar los principios en lugar de cmo simplificar una frmula general. Al observar que los principios de la ciencia se basan en observaciones experi-mentales, todas las deducciones que se presentan en este libro se basan en argumentos fsicos, por lo tanto son fciles de seguir y comprender.

AMPLIO USO DE IMGENESLas figuras son instrumentos importantes para el aprendizaje y permiten a los estudiantes darse una idea general. En el texto se hace un uso eficiente de los grficos: contiene ms figuras e ilustraciones que ningn otro libro de esta categora. Adems, se han mejorado una gran cantidad de figuras para volver-las tridimensionales y, por lo tanto, ms realistas. Las figuras atraen la aten-cin y estimulan la curiosidad y el inters. La mayora de las figuras sirven como un medio para enfatizar conceptos importantes que de otra forma pasa-ran inadvertidos, mientras que otras se utilizan como resmenes de prrafos. El famoso personaje de la historieta Blondie (en espaol conocido como Lorenzo Parachoques, de la tira cmica Lorenzo y Pepita) se usa para resal-tar con humor algunos puntos clave, as como para romper el hielo y relajar la tensin. Quin dice que el estudio de la termodinmica no puede ser divertido?

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OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Y RESMENESLos captulos comienzan con una descripcin general del material que se estu-diar y con los objetivos de aprendizaje especficos. Al final de cada captulo se incluye un resumen que proporciona una revisin rpida de los conceptos bsicos y relaciones importantes enfatizando la importancia del material.

NUMEROSOS EJEMPLOS DE EJERCICIOS CONUN PROCEDIMIENTO SISTEMTICO PARA RESOLVERLOSCada captulo contiene varios ejemplos de ejercicios que esclarecen el mate-rial e ilustran el uso de los principios bsicos. En la resolucin de los proble-mas de ejemplo se utiliz un enfoque intuitivo y sistemtico. En primer trmino, se enuncia el problema y se identifican los objetivos. Despus, se establecen las suposiciones junto con sus justificaciones. En forma separada, se enlistan las propiedades necesarias para resolver el problema, si as lo ame-rita. Se utilizan valores numricos en conjunto con sus unidades para enfati-zar que si los primeros carecen de las segundas no tienen ningn significado, y que la manipulacin de stas es tan importante como la manipulacin de aqullos mediante el uso de la calculadora. Una vez que se llega a la solu-cin, se analiza el significado del valor que se obtuvo. Este mtodo se utiliza tambin de manera consistente en las resoluciones que se presentan en el manual de respuestas del profesor.

UNA GRAN CANTIDAD DE PROBLEMAS REALESAL FINAL DE CADA CAPTULOLos problemas que se incluyen al final de cada captulo estn agrupados bajo temas especficos a fin de hacer que la seleccin de problemas sea ms fcil tanto para el profesor como para el estudiante. En cada grupo de problemas se encuentran Preguntas de concepto, indicadas con la letra C, para verifi-car el nivel de comprensin del estudiante sobre conceptos bsicos. Los pro-blemas que se agrupan en el apartado Problemas de repaso son de naturaleza ms completa y no estn relacionados directamente con alguna seccin espe-cfica de determinado captulo (en algunos casos requieren la revisin del material que se aprendi en los captulos anteriores). Los del apartado Diseo y ensayo tienen como objetivo alentar a los estudiantes a elaborar juicios sobre ingeniera, conducir la investigacin independiente de temas de inters y comunicar sus descubrimientos de manera profesional. Los problemas iden-tificados con la letra E estn en unidades inglesas, por lo que los usuarios del SI pueden ignorarlos. Los problemas marcados con el cono pueden resolverse utilizando el software Engineer Equation Solver (EES) u otro simi-lar. Varios problemas relacionados con la economa y la seguridad se incorpo-ran a lo largo del libro para reforzar entre los estudiantes de ingeniera la conciencia acerca del costo y la seguridad. Las respuestas a algunos proble-mas seleccionados se enumeran inmediatamente despus de la descripcin de los mismos para mayor comodidad. Adems, con el fin de preparar a los estu-diantes para el examen sobre fundamentos de ingeniera (que cada vez cobra mayor importancia en el criterio de seleccin del ABET 2000) y para facilitar los exmenes de opcin mltiple, se incluyeron ms de 200 problemas de opcin mltiple en los diferentes apartados de los problemas que se hallan al final de cada captulo. Dichos problemas estn identificados bajo el ttulo Problemas para el examen sobre fundamentos de ingeniera (FI) a fin de que sean reconocibles fcilmente. El objetivo de estos problemas es verificar la comprensin de los fundamentos y ayudar a los lectores a evitar que incurran en errores comunes.

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

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

Balance de masa:

Balance de energa:

Balance de entropa:

Balance de exerga:

Estas relaciones reafirman que durante un proceso real la masa y la energa se conservan, 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 despus de que especifiquen el sistema y las simplifiquen para cada problema en particular.

Un mtodo mucho ms relajado se emplea en los captulos posteriores a 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 usan ampliamente en algunas industrias, en el libro se emplean tanto unidades SI como inglesas, haciendo nfasis en el SI. El contenido se puede cubrir usando la combinacin de unidades SI e inglesas o nicamente las del SI, de acuerdo con la preferencia del profesor. Las grficas y tablas de propiedades en los apndices se presentan en ambas unidades, excepto en aquellas que implican cantidades dimensionales. Los problemas, tablas y grficas en unidades ingle-sas estn identificados con la letra E, colocado despus del nmero con la finalidad de que sea sencillo reconocerlos; asimismo, los usuarios del sistema SI pueden ignorarlos sin ningn problema.

TEMAS DE INTERS ESPECIALLa mayora de los captulos contienen una seccin llamada Tema de inters especial, 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; Aspectos cotidianos de la segunda ley, del 8, y Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez, 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 prdida de continuidad.

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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GLOSARIO DE TRMINOS TERMODINMICOSA lo largo de todos los captulos, cuando se presenta y define un trmino o concepto de fundamental importancia, ste aparece en negritas.

FACTORES DE CONVERSINLos factores de conversin y las constantes fsicas de uso frecuente se listan en las pginas de las cubiertas interiores del texto para que sean una referen-cia fcil de usar.

MATERIALES DE APOYOEsta obra cuenta con interesantes complementos que fortalecen los procesos de enseanza-aprendizaje, as como la evaluacin de los mismos, los cuales se otorgan a profesores que adoptan este texto para sus cursos. Para obtener ms informacin y conocer la poltica de entrega de estos materiales, con-tacte a su representante McGraw-Hill.

AGRADECIMIENTOSLos autores desean reconocer, con aprecio, los numerosos y valiosos comen-tarios, sugerencias, crticas constructivas y elogios por parte de los siguientes evaluadores y revisores:

Ralph AldredgeUniversity of CaliforniaDavis

M. Cengiz AltanUniversity of Oklahoma

M. Ruhul AminMontana State University

Edward E. AndersonTexas Tech University

Kirby S. ChapmanKansas State University

Ram DevireddyLouisiana State University

Timothy DowlingUniversity of Louisville

Gloria D. ElliottUniversity of North CarolinaCharlotte

Afshin J. GhajarOklahoma State University

Daniel K. HarrisAuburn University

Jerre M. HillUniversity of North CarolinaCharlotte

Shoeleh Di JulioCalifornia State UniversityNorthridge

Gunol KojasoyUniversity of WisconsinMilwaukee

Marilyn LightstoneMcMaster University

Robert P. LuchtPurdue University

Pedro J. MagoMississippi State University

James A. MathiasSouthern Illinois State University

Pavlos G. MikellidesArizona State University

Laurent PilonUniversity of CaliforniaLos Angeles

Subrata RoyKettering University

Brian SavilonisWorcester Polytechnic Institute

Kamran SiddiquiConcordia University

Robert SpallUtah State University

Israel UrieliOhio University

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xxvPREFACIO

Sus sugerencias ayudaron mucho a mejorar la calidad de este texto. En parti-cular quisiramos expresar nuestra gratitud a Mehmet Kanoglu, de University of Gaziantep, Turqua, por sus valiosas contribuciones, su revisin crtica del manuscrito y su especial atencin a la exactitud y al detalle.

Tambin quisiramos agradecer a nuestros alumnos, de quienes conocimos gran cantidad de retroalimentacin, de acuerdo con sus perspectivas. Por ltimo, deseamos expresar nuestro aprecio a nuestras esposas, Zehra engel y Sylvia Boles, as como a nuestros hijos, por su persistente paciencia, com-prensin y apoyo durante la preparacin de este texto.

Yunus A. engelMichael A. Boles

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OBJETIVOSEn el captulo 1, los objetivos son:

Identifi car el vocabulario especfi co relacionado con la termodinmica por medio de la defi nicin precisa de conceptos bsicos con la fi nali-dad de formar una base slida para el desarrollo de los principios de la termodinmica.

Revisar los sistemas de unidades SI mtrico e ingls que se utilizarn en todo el libro.

Explicar los conceptos bsicos de la termodinmica, como sistema, estado, postulado de estado, equili-brio, proceso y ciclo.

Revisar los conceptos de tempe-ratura, escalas de temperatura, presin y presiones absoluta y manomtrica.

Introducir una tcnica intuitiva y sistemtica para resolver proble-mas.

T oda ciencia posee un vocabulario nico y la termodinmica no es la ex-cepcin. La defi nicin precisa de conceptos bsicos constituye una base slida para el desarrollo de una ciencia y evita posibles malas interpreta-ciones. Este captulo inicia con un repaso de la termodinmica y los sistemas de unidades y contina con la explicacin de algunos conceptos bsicos, como sistema, estado, postulado de estado, equilibrio y proceso. Tambin se analizan los trminos temperatura y escalas de temperatura con especial nfasis en la Escala Internacional de Temperatura de 1990. Posteriormente se presenta pre-sin, defi nida como la fuerza normal que ejerce un fl uido por unidad de rea, y se analizan las presiones absoluta y manomtrica, la variacin de la presin con la profundidad y los instrumentos de medicin de presin, como manmetros y barmetros. El estudio cuidadoso de estos conceptos es esencial para lograr una buena comprensin de los temas tratados en este libro. Por ltimo, se presenta una tcnica para resolver problemas, intuitiva y sistemtica, que se puede usar como modelo en la solucin de problemas de ingeniera.

CAPTULO

INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS

1

01Chapter_01 ITALICAS.indd 101Chapter_01 ITALICAS.indd 1 7/12/11 15:30:077/12/11 15:30:07

INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS2

1-1 TERMODINMICA Y ENERGALa termodinmica se puede definir como la ciencia de la energa. Aunque todoel mundo tiene idea de lo que es la energa, es difcil definirla de forma pre-cisa. La energa se puede considerar como la capacidad para causar cambios. El trmino termodinmica proviene de las palabras griegas therme (calor) y dynamis (fuerza), lo cual corresponde a lo ms descriptivo de los primeros esfuerzos por convertir el calor en energa. En la actualidad, el concepto se interpreta de manera amplia para incluir los aspectos de energa y sus transfor-maciones, incluida la generacin de potencia, la refrigeracin y las relaciones entre las propiedades de la materia. Una de las ms importantes y fundamentales leyes de la naturaleza es el principio de conservacin de la energa. ste expresa que durante una interaccin, la energa puede cambiar de una forma a otra pero su cantidad total permanece constante. Es decir, la energa no se crea ni se destruye. Una roca que cae de un acantilado, por ejemplo, adquiere velocidad como resultado de su energa potencial convertida en energa cintica (Fig. 1-1). El principio de conservacin de la energa tambin estructura la industria de las dietas: una persona que tiene un mayor consumo energtico (alimen-tos) respecto a su gasto de energa (ejercicio) aumentar de peso (almacena energa en forma de grasa), mientras otra persona con una ingestin menor respecto a su gasto energtico perder peso (Fig. 1-2). El cambio en el con-tenido energtico de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la dife-rencia entre la entrada y la salida de energa, y el balance de sta se expresa como Eentrada Esalida E. La primera ley de la termodinmica es simplemente una expresin del principio de conservacin de la energa, y sostiene que la energa es una pro-piedad termodinmica. La segunda ley de la termodinmica afirma que la energa tiene calidad as como cantidad, y los procesos reales ocurren hacia donde disminuye la calidad de la energa. Por ejemplo, una taza de caf ca-liente sobre una mesa en algn momento se enfra, pero una taza de caf fro en el mismo espacio nunca se calienta por s misma (Fig. 1-3). La energa de alta temperatura del caf se degrada (se transforma en una forma menos til a otra con menor temperatura) una vez que se transfiere hacia el aire circun-dante. Aunque los principios de la termodinmica han existido desde la crea-cin del universo, esta ciencia surgi como tal hasta que Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712 construyeron en Inglaterra las pri-meras mquinas de vapor atmosfricas exitosas, las cuales eran muy len-tas e ineficientes, pero abrieron el camino para el desarrollo de una nueva ciencia. La primera y la segunda leyes de la termodinmica surgieron de forma simultnea a partir del ao de 1850, principalmente de los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y lord Kelvin (antes William Thomson). El tr-mino termodinmica se us primero en una publicacin de lord Kelvin en 1849; y por su parte, William Rankine, profesor en la universidad de Glas-gow, escribi en 1859 el primer texto sobre el tema. Se sabe que una sustancia est constituida por un gran nmero de partcu-las llamadas molculas, y que las propiedades de dicha sustancia depen-den, por supuesto, del comportamiento de estas partculas. Por ejemplo, lapresin de un gas en un recipiente es el resultado de la transferencia de cantidad de movimiento entre las molculas y las paredes del recipiente. Sin embargo, no es necesario conocer el comportamiento de las partculas de gas para determinar la presin en el recipiente, bastara con colocarle

Energapotencial

Energacintica

EP = 10 unidadesEC = 0

EP = 7 unidadesEC = 3 unidades

FIGURA 1-1La energa no se crea ni se destruye; slo se transforma (primera ley).

Salida de energa

(4 unidades)

Entrada de energa

(5 unidades)

Almacenaje de energa (1 unidad)

FIGURA 1-2Principio de conservacin de la energa para el cuerpo humano.


CAPTULO 13

un medidor de presin al recipiente. Este enfoque macroscpico al estudio de la termodinmica que no requiere conocer el comportamiento de cada una de las partculas se llama termodinmica clsica, y proporciona un modo directo y fcil para la solucin de problemas de ingeniera. Un enfo-que ms elaborado, basado en el comportamiento promedio de grupos gran-des de partculas individuales, es el de la termodinmica estadstica. Este enfoque microscpico es bastante complicado y en este libro slo se usa como apoyo.

reas de aplicacin de la termodinmicaEn la naturaleza, todas las actividades tienen que ver con cierta interaccin entre la energa y la materia; por consiguiente, es difcil imaginar un rea que no se relacione de alguna manera con la termodinmica. Por lo tanto, desarrollar una buena comprensin de los principios bsicos de esta ciencia ha sido durante mucho tiempo parte esencial de la educacin en ingeniera. Comnmente la termodinmica se encuentra en muchos sistemas de inge-niera y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos para compro-bar esto. De hecho no se necesita ir a ningn lado. Por ejemplo, el corazn bombea sangre en forma constante a todo nuestro cuerpo, diferentes conver-siones de energa ocurren en billones de clulas y el calor corporal generado se emite en forma constante hacia el ambiente. El confort humano tiene estrecha relacin con la tasa de esta emisin de calor metablico. Se intenta controlar esta transferencia de calor ajustando la ropa a las condiciones ambientales. Existen otras aplicaciones de la termodinmica en el lugar que se habi-ta. Una casa ordinaria es, en algunos aspectos, una sala de exhibicin de maravillas relacionadas con la termodinmica (Fig. 1-4). Muchos utensi-lios domsticos y aplicaciones estn diseados, completamente o en parte,mediante los principios de la termodinmica. Algunos ejemplos son la estufa elctrica o de gas, los sistemas de calefaccin y aire acondicio-nado, el refrigerador, el humidificador, la olla de presin, el calentador de agua, la regadera, la plancha e incluso la computadora y el televisor. En una escala mayor, la termodinmica desempea una parte importante en el diseo y anlisis de motores automotrices, cohetes, motores de avin, plan-tas de energa convencionales o nucleares, colectores solares, y en el diseo de todo tipo de vehculos desde automviles hasta aeroplanos (Fig. 1-5). Los hogares que usan eficazmente la energa se disean con base en la re-duccin de prdida de calor en invierno y ganancia de calor en verano. El tamao, la ubicacin y entrada de potencia del ventilador de su computadora tambin se selecciona tras un estudio en el que interviene la termodinmica.

1-2 IMPORTANCIA DE LAS DIMENSIONES Y UNIDADES

Cualquier cantidad fsica se caracteriza mediante dimensiones. Las magnitu-des asignadas a las dimensiones se llaman unidades. Algunas dimensiones bsicas, como masa m, longitud L, tiempo t y temperatura T se seleccionan como dimensiones primarias o fundamentales, mientras que otras como la velocidad V, energa E y volumen V se expresan en trminos de las dimen-siones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones deri-vadas.

Calor

Ambientefro

20 C

Cafcaliente70 C

FIGURA 1-3El calor fluye en direccin de la temperatura decreciente.

Colectoressolares

Aguacaliente

Intercambiadorde calor

Bomba

Regadera

Aguafra

Depsito de agua caliente

FIGURA 1-4El diseo de muchos sistemas de ingeniera, como este sistema solar para calentar agua, tiene que ver con la termodinmica.



Con el paso de los aos se han creado varios sistemas de unidades. A pesar de los grandes esfuerzos que la comunidad cientfica y los ingenieros han hecho para unificar el mundo con un solo sistema de unidades, en la actua-lidad an son de uso comn dos de stos: el sistema ingls, que se conoce como United States Customary System (USCS) y el SI mtrico (de Le Systme International d Units), tambin llamado sistema internacional. El SI es un sistema simple y lgico basado en una relacin decimal entre las distintas uni-dades, y se usa para trabajo cientfico y de ingeniera en la mayor parte de las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra. Sin embargo, el sistema ingls no tiene base numrica sistemtica evidente y varias unidades de este siste-ma se relacionan entre s de manera bastante arbitraria (12 pulgadas 1 pie, 1 milla 5 280 pies, 4 cuartos 1 galn, etc.), lo cual hace que el aprendi-zaje sea confuso y difcil. Estados Unidos es el nico pas industrializado que an no adopta por completo el sistema mtrico. Los esfuerzos sistemticos para desarrollar un sistema de unidades univer-sal aceptable datan de 1790 cuando la Asamblea Nacional Francesa encarg

FIGURA 1-5Algunas reas de aplicacin de la termodinmica.

Sistemas de aire acondicionadoThe McGraw-Hill Companies,Inc./Foto de Jill Braaten

AutomvilesFoto de John M. Cimbala

Cuerpo humanoVol. 110/Photo-Disc/Getty RF

Turbinas de vientoVol. 17/Photo-Disc/Getty RF

Sistemas de refrigeracinThe McGraw-Hill Companies,Inc/fotografa de Jill Braaten

Aplicaciones industrialesCortesa de UMDE Engineering, Contractingand Trading. Uso autorizado.

Barcos Vol. 5/Photo-Disc/Getty RF

Aeronave y nave espacial Vol. 1/Photo-Disc/Getty RF

Plantas elctricasVol. 57/Photo-Disc/Getty RF


CAPTULO 15

a la academia francesa de ciencias que sugiriera dicho sistema de unidades. Pronto se elabor en Francia una primera versin del sistema mtrico, pero no encontr aceptacin universal hasta 1875 cuando 17 pases, incluido Esta-dos Unidos, prepararon y firmaron el Tratado de Convencin Mtrica. En este acuerdo internacional se establecieron metro y gramo como las unidades mtricas para longitud y masa, respectivamente, adems de establecerse que una Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) se reuniera cada seis aos. En 1960, la CGPM produjo el SI, el cual se basa en seis cantidades fun-damentales, cuyas unidades se adoptaron en 1954 en la Dcima Conferencia General de Pesos y Medidas: metro (m) para longitud, kilogramo (kg) para masa, segundo (s) para tiempo, ampere (A) para corriente elctrica, grado Kelvin (K) para temperatura y candela (cd) para intensidad luminosa (canti-dad de luz). En 1971, la CGPM aadi una sptima cantidad y unidad funda-mental: mol (mol) para la cantidad de materia. Con base en el esquema de notacin introducido en 1967, el smbolo de grado se elimin en forma oficial de la unidad de temperatura absoluta, y todos los nombres de unidades se escribiran con minscula incluso si se deri-vaban de nombres propios (tabla 1-1). Sin embargo, la abreviatura de una uni-dad se escribira con mayscula si la unidad provena de un nombre propio. Por ejemplo, la unidad SI de fuerza, nombrada en honor a sir Isaac Newton (1647-1723), es el newton (no Newton), y se abrevia como N. Asimismo, es posible pluralizar el nombre completo de una unidad, no as su abreviatura. Por ejemplo, la longitud de un objeto puede ser 5 m o 5 metros, no 5 ms o 5 metro. Por ltimo, no se usar punto en abreviaturas de unidades a menos que aparezcan al final de un enunciado. Por ejemplo, la abreviatura apropiada de metro es m (no m.). En Estados Unidos, el reciente cambio hacia el sistema mtrico empez en 1968 cuando el Congreso, en respuesta a lo que estaba sucediendo en el resto del mundo, aprob un Decreto de estudio mtrico. El Congreso continu con este impulso hacia un cambio voluntario al sistema mtrico al aprobar el Decreto de conversin mtrica en 1975. Una ley comercial aprobada en 1988 fij el mes de septiembre de 1992 como plazo para que todas las agencias federales pasaran al sistema mtrico. Sin embargo, los plazos se relajaron sin establecer planes claros para el futuro. Las industrias con una participacin intensa en el comercio internacional (como la automotriz, la de bebidas carbonatadas y la de licores) se han apresu-rado en pasar al sistema mtrico por razones econmicas (tener un solo diseo mundial, menos tamaos e inventarios ms pequeos, etc.). En la actualidad, casi todos los automviles fabricados en Estados Unidos obedecen al sistema mtrico. Es probable que la mayor parte de los dueos de automviles no se percaten hasta que utilicen una llave con medida en pulgadas sobre un tornillo mtrico. No obstante, la mayor parte de las industrias se resisten al cambio, lo cual retrasa el proceso de conversin. En la actualidad, Estados Unidos es una sociedad con doble sistema y permanecer as hasta que se complete la transicin al sistema mtrico. Esto agrega una carga extra a los actuales estudiantes de ingeniera, puesto que se espera que retengan su comprensin del sistema ingls mientras aprenden, piensan y trabajan en trminos del SI. Dada la posicin de los ingenieros en el periodo de transicin, en este libro se usan ambos sistemas de unidades, con especial nfasis en las unidades SI. Como se seal, el SI se basa en una relacin decimal entre unidades. Los prefijos usados para expresar los mltiplos de las distintas unidades se enu-meran en la tabla 1-2, se usan como estndar para todas stas y se alienta al estudiante a memorizarlos debido a su uso extendido (Fig. 1-6).

TABLA 1-1

Las siete dimensiones fundamentales (o primarias) y sus unidades en el SI

Dimensin Unidad

Longitud metro (m)Masa kilogramo (kg)Tiempo segundo (s)Temperatura kelvin (K)Corriente elctrica ampere (A)Cantidad luminosa candela (cd)Cantidad de materia mol (mol)

TABLA 1-2

Prefijos estndar en unidades SI

Mltiplos Prefijo

1024 yotta, Y1021 zetta, Z1018 exa, E1015 peta, P1012 tera, T109 giga, G106 mega, M103 kilo, k102 hecto, h101 deca, da101 deci, d102 centi, c103 mili, m106 micro, m109 nano, n1012 pico, p1015 femto, f1018 atto, a1021 zepto, z1024 yocto, y



Algunas unidades SI e inglesasEn el SI, las unidades de masa, longitud y tiempo son kilogramo (kg), metro (m) y segundo (s), respectivamente. Las unidades correspondientes en el sis-tema ingls son libra-masa (lbm), pie (ft) y segundo (s). El smbolo de libra lb es en realidad la abreviatura de libra, la cual era en la antigua Roma la uni-dad adaptada para expresar el peso. El sistema ingls mantuvo este smbolo incluso despus de haber finalizado la ocupacin romana de Bretaa en el ao 410. Las unidades de masa y longitud en los dos sistemas se relacionan entre s mediante

En el sistema ingls, la fuerza es considerada comnmente como una de las dimensiones primarias y se le asigna una unidad no derivada. Esto es una fuente de confusin y error que requiere el uso de una constante dimensional (gc) en muchas frmulas. Para evitar esta molestia, se considera a la fuerza como una dimensin secundaria cuya unidad se deriva de la segunda ley de Newton, es decir,

Fuerza (masa)(aceleracin)o

(1-1)

En el SI, la unidad de fuerza es el newton (N), y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kg a razn de 1 m/s2. En el sistema ingls, la unidad de fuerza es la libra-fuerza (lbf) y se define como la fuerza requerida para acelerar una masa de 32.174 lbm (1 slug) a razn de 1 pie/s2 (Fig. 1-7). Es decir,

Una fuerza de 1 N equivale aproximadamente al peso de una manzana pe-quea (m 102 g), mientras que una fuerza de 1 lbf es equivalente a ms o menos el peso de cuatro manzanas medianas (mtotal 454 g), como se ilustra en la figura 1-8. Otra unidad de fuerza de uso comn en muchos pases euro-peos es el kilogramo-fuerza (kgf), que es el peso de 1 kg de masa al nivel del mar (1 kgf 9.807 N). El trmino peso con frecuencia se usa de modo incorrecto para expresar masa, en particular por los weight watchers. A diferencia de la masa, el peso W es una fuerza: la fuerza gravitacional aplicada a un cuerpo, y su mag-nitud se determina a partir de la segunda ley de Newton,

(1-2)

donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleracin gravitacional local (g es 9.807 m/s2 o 32.174 pie/s2 al nivel del mar y latitud 45). Una bscula de bao

200 mL(0.2 L)

1 kg(103 g)

1 M

(106 )

FIGURA 1-6Los prefijos de las unidades SI se usan en todas las ramas de la ingeniera.

m = 1 kg

m = 32.174 lbm

a = 1 m/s2

a = 1 pie/s2F = 1 lbf

F = 1 N

FIGURA 1-7Definicin de unidades de fuerza.

10 manzanasm = 1 kg

4 manzanasm = 1 lbm1 manzana

m = 102 g

1 kgf

1 lbf 1 N

FIGURA 1-8Magnitudes relativas de las unidades de fuerza newton (N), kilogramo-fuerza (kgf) y libra fuerza (lbf).

W mg 1N 2

1 lbf 32.174 lbm # pie>s1 N 1 kg # m>s2

F ma

1 pie 0.3048 m

1 lbm 0.45359 kg


CAPTULO 17

ordinaria mide la fuerza gravitacional que acta sobre un cuerpo. El peso del volumen unitario de una sustancia se llama peso especfico g y se determina a partir de g rg, donde r es la densidad. La masa de un cuerpo es la misma sin importar su ubicacin en el universo; sin embargo, su peso se modifica con un cambio en la aceleracin gravitacio-nal. Un cuerpo pesa menos en la cima de una montaa puesto que g dismi-nuye con la altitud. En la superficie de la Luna, una astronauta pesa alrededor de un sexto de lo que pesa en la Tierra (Fig. 1-9). Al nivel del mar una masa de 1 kg pesa 9.807 N, como se ilustra en la figura 1-10; no obstante, una masa de 1 lbm pesa 1 lbf, lo que lleva a las per-sonas a creer que libra-masa y libra-fuerza se pueden usar de forma indistinta como libra (lb), lo cual es una fuente principal de errores en el sistema ingls. Se debe observar que la fuerza de gravedad que acta sobre una masa se debe a la atraccin entre las masas y, por lo tanto, es proporcional a las mag-nitudes de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distan-cia entre ellas. Por consiguiente, la aceleracin gravitacional g en un lugar depende de la densidad local de la corteza terrestre, la distancia al centro de la Tierra y, en un menor grado, de las posiciones de la Luna y el Sol. El valor de g vara con la ubicacin desde 9.832 m/s2 en los polos (9.789 en el ecuador) hasta 7.322 m/s2 a 1 000 km sobre el nivel del mar. Sin embargo, a altitudes de hasta 30 km, la variacin de g del valor a nivel del mar de 9.807 m/s2 es menor a 1 por ciento. Entonces, para la mayor parte de los propsitos prcticos, la aceleracin gravitacional se supone como constante en 9.81 m/s2. Es interesante notar que en lugares situados bajo el nivel del mar el valor de g se incrementa con la distancia desde el nivel del mar, alcanza un mximo prximo a los 4 500 m y luego empieza a disminuir. (Cul cree que es el valor de g en el centro de la Tierra?) La principal causa que provoca la confusin entre masa y peso es que la masa se mide generalmente de modo indirecto al calcular la fuerza de gravedad que ejerce. Con este enfoque se supone tambin que las fuerzas ejercidas causa-das por otros efectos como la flotabilidad en el aire y el movimiento del fluido son insignificantes. Esto es como medir la distancia a una estrella midiendo su transicin hacia el color rojo o determinar la altitud de un aeroplano por medio de la presin baromtrica: ambas son mediciones indirectas. La forma correcta directa de medir la masa es compararla con otra conocida. Sin embargo, esto es difcil y se usa sobre todo para calibracin y medicin de metales preciosos. El trabajo, que es una forma de energa, se puede definir simplemente como la fuerza multiplicada por la distancia; por lo tanto, tiene la unidad newton-metro (N m), llamado joule (J). Es decir,

(1-3)

Una unidad ms comn para la energa en el SI es el kilojoule (1 kJ 103 J).En el sistema ingls, la unidad de energa es el Btu (British thermal unit), que se define como la energa requerida para elevar en 1 F la temperatura de1 lbm de agua a 68 F. En el sistema mtrico, la cantidad de energa necesaria para elevar en 1 C la temperatura de 1 gramo de agua a 14.5 C se define como 1 calora (cal), y 1 cal 4.1868 J. Las magnitudes de kilojoule y Btu son casi idnticas (1 Btu 1.0551 kJ). Hay una buena manera de apreciar intuitivamente estas unidades: si enciende un fsforo y lo deja consumir, pro-duce aproximadamente un Btu (o un kJ) de energa (Fig. 1-11). La unidad para la razn de tiempo de energa es el joule por segundo (J/s) que se conoce como watt (W). En el caso de trabajo la razn de tiempo deenerga se llama potencia. Una unidad de potencia comnmente usada es el ca-ballo de fuerza (hp), que es equivalente a 746 W. La energa elctrica se expresa

FIGURA 1-9Un cuerpo que en la Tierra pesa 150 lbf pesar slo 25 lbf en la Luna.

g = 9.807 m/s2

W = 9.807 kg m/s2

= 9.807 N = 1 kgf

W = 32.174 lbm ft/s2

= 1 lbf

g = 32.174 ft/s2

kg lbm

FIGURA 1-10El peso de una masa unitaria al nivel del mar.

1 J 1 N # m

Caramba!

FIGURA 1-11Un fsforo tpico produce alrededor de un Btu (o un kJ) de energa si se quema por completo. Foto de John M. Cimbala.



tpicamente en la unidad kilowatt-hora (kWh), que es equivalente a 3 600 kJ. Un aparato elctrico con una potencia nominal de 1 kW consume 1 kWh de electricidad cuando trabaja continuamente durante una hora. Cuando se hablade generacin de potencia elctrica, con frecuencia se confunden las unidades kW y kWh. Observe que kW o kJ/s es una unidad de potencia, mientras que kWh es una unidad de energa. Por lo tanto, frases como la nueva turbina de viento generar 50 kW de electricidad por ao no tienen sentido y son incorrectas. Una expresin correcta sera algo as como la nueva turbina de viento, con una potencia nominal de 50 kW, generar 120 000 kWh de electricidad por ao.

Homogeneidad dimensionalEn la escuela primaria se aprende que manzanas y naranjas no se suman, pero de algn modo uno se las arregla para hacerlo (por error, por supuesto). En ingeniera, las ecuaciones deben ser dimensionalmente homogneas. Es decir, cada trmino de una ecuacin debe tener la misma unidad (Fig. 1-12). Si en alguna etapa de un anlisis se est en posicin de sumar dos cantidades que tienen unidades distintas, es una indicacin clara de que se ha cometido un error en una etapa anterior. As que comprobar las dimensiones puede servir como una herramienta valiosa para detectar errores.

FIGURA 1-12Para lograr la homogeneidad dimensional de una ecuacin, todos los trminos deben tener las mismas unidades.

Reimpreso con autorizacin especial de King Features Syndicate.

Se sabe por experiencia que las unidades pueden causar terribles dolores de cabeza si no se usan con cuidado al resolver un problema. Sin embargo, con cierta atencin y habilidad las unidades se pueden usar de modo provechoso. Sirven para comprobar frmulas e incluso se pueden usar para deducir frmu-las, como se explica en el siguiente ejemplo.

EJEMPLO 1-1 Generacin de potencia elctrica medianteuna turbina elica

Una escuela paga $0.09/kWh. Para reducir sus costos de energa, la escuela instala una turbina de viento (Fig. 1-13) con una potencia nominal de 30 kW. Si la turbina trabaja 2 200 horas por ao a su potencia nominal, deter-mine la cantidad de energa elctrica generada por la turbina y el dinero que ahorra la escuela por ao.

Solucin Se instala una turbina de viento (aerogenerador) para generar elec-tricidad. Se deben determinar la cantidad de energa elctrica que se genera y el dinero que se ahorra por ao.Anlisis La turbina de viento genera energa elctrica a razn de 30 kW, o 30 kJ/s. Entonces, la cantidad total de energa elctrica generada por ao es:

Energa total = (Energa por unidad de tiempo)(Intervalo de tiempo) = (30 kW)(2 200 h) = 66 000 kWh

La cantidad que se ahorra por ao es el valor monetario de esta energa deter-minada como:

Dinero ahorrado = (Energa total)(costo unitario de energa) = (66 000 kWh)($0.09/kWh) = $5 940

Comentario La produccin anual de energa elctrica tambin se podra deter-minar en kJ mediante manipulacin de las unidades, como

que es equivalente a 66 000 kWh (1 kWh = 3 600 kJ).

FIGURA 1-13Una turbina de viento como la del ejemplo 1-1. Cortesa de Steve Stadler, Oklahoma, Wind Power Initiative.

Energa total 130 kW2 1 2.38 108 kJ2 200 h 3 600 s1 hb2 a 1 kJ/s

1 kWba


CAPTULO 19

Es importante recordar que una frmula que no es dimensionalmente homog-nea es definitivamente errnea (Fig. 1-15), pero una frmula con homogenei-dad dimensional no necesariamente es correcta.

Relaciones de conversin de unidadesAs como es posible formar dimensiones no primarias mediante combinaciones adecuadas de dimensiones primarias, todas las unidades no primarias (unida-des secundarias) se forman a travs de combinaciones de unidades primarias. Las unidades de fuerza, por ejemplo, es posible expresarlas como

Asimismo, se pueden expresar de modo ms conveniente como relaciones de conversin de unidades como

Las relaciones de conversin de unidades son iguales a 1 y no tienen uni-dades; por lo tanto, tales relaciones (o sus inversos) se pueden insertar de forma conveniente en cualquier clculo para convertir unidades de manera ade-cuada (Fig. 1-16). Se recomienda a los estudiantes que siempre usen relaciones de conversin de unidades. Algunos libros incluyen en las ecuaciones la cons-tante gravitacional arcaica gc definida como gc 32.174 lbm pie/lbf s

2 kg m/N s2 1 con la finalidad de que concuerden las unidades de fuerza. Esta prctica produce una confusin innecesaria y los autores de este libro con-sideran que no es aconsejable. En cambio, se recomienda que los estudiantes usen relaciones de conversin de unidades.

V = 2 m3

r = 850 kg/m3

m = ?

Aceite

FIGURA 1-14Esquema para el ejemplo 1-2.

FIGURA 1-15Siempre verifique las unidades en sus clculos.

FIGURA 1-16Toda relacin de conversin unitaria (as como su inverso) es exactamente igual a uno. Aqu se muestran unas pocas relaciones de conversin unitarias que se usan comnmente.Cortesa de Steve Stadler, Oklahoma, Wind Power Initiative. Uso autorizado.

32.174 lbm ft/s2

1 lbf1 kg m/s2

1 N

1 kJ1 000 N m

1 kPa1 000 N/m21 J/s

1 W

0.3048 m1 ft

1 min60 s

1 lbm0.45359 kg

CUIDADO!TODOS LOS TRMINOS

DE UNA ECUACINDEBEN TENER LAS MISMAS UNIDADESEs evidente que se puede eliminar m3 y finalizar con kg al multiplicar estas

dos cantidades. Por lo tanto, la frmula que se busca debe ser

As,

Comentario Observe que existe la posibilidad de que este enfoque no fun-cione para frmulas ms complejas. Las frmulas constantes no dimensiona-les pueden estar presentes tambin, y stas no se pueden deducir slo por consideraciones de unidades.

m rV

EJEMPLO 1-2 Obtencin de frmulas a partir de consideracionesde unidades

Se llena un depsito con aceite cuya densidad es r 850 kg/m3. Si el volumen del depsito es V 2 m3, determine la cantidad de masa m en el depsito.

Solucin Se tiene el volumen del depsito y se va a determinar la masa del aceite.Suposiciones El aceite es una sustancia no compresible y, por lo tanto, su densidad es constante.Anlisis Un bosquejo del sistema descrito se presenta en la figura 1-14. Suponga que olvida la frmula que relaciona la masa con la densidad y el volu-men; sin embargo, se sabe que la unidad de la masa es el kilogramo. Es decir, sin importar los clculos que se realicen se debe obtener al final la unidad de kilogramos. Entendiendo mejor la informacin proporcionada, se tiene

r 850 kg >m 3 y V 2 m 3

N

kg # m>s2 1 ylbf

32.174 lbm # pie>s2 1

N kgm

s2y lbf 32.174 lbm

pie

s2

m 1850 kg>m3 2 12 m3 2 1 700 kg



Cuando se compra una caja de cereal en la impresin se lee Peso neto: una libra (454 gramos) (Fig. 1-18). En trminos tcnicos, esto significa que el cereal dentro de la caja pesa 1.00 lbf en la Tierra y tiene una masa de 453.6 g (0.4536 kg). Usando la segunda ley de Newton, el peso real del cereal en el sistema mtrico es

1-3 SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOSUn sistema se define como una cantidad de materia o una regin en el espa-cio elegida para anlisis. La masa o regin fuera del sistema se conoce como alrededores. La superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alre-dedores se llama frontera (Fig. 1-19). La frontera de un sistema puede ser fija o mvil. Note que la frontera es la superficie de contacto que comparten sistema y alrededores. En trminos matemticos, la frontera tiene espesor cero y, por lo tanto, no puede contener ninguna masa ni ocupar un volumen en el espacio. Los sistemas se pueden considerar cerrados o abiertos, dependiendo de si se elige para estudio una masa fija o un volumen fijo en el espacio. Un sis-tema cerrado (conocido tambin como una masa de control) consta de una cantidad fija de masa y ninguna otra puede cruzar su frontera. Es decir, nin-guna masa puede entrar o salir de un sistema cerrado, como se ilustra en la figura 1-20. Pero la energa, en forma de calor o trabajo puede cruzar la fron-tera; y el volumen de un sistema cerrado no tiene que ser fijo. Si, como caso especial, incluso se impide que la energa cruce la frontera, entonces se trata de un sistema aislado. Considrese el dispositivo de cilindro-mbolo mostrado en la figura 1-21. Suponga que se desea saber qu pasa con el gas encerrado cuando se calienta. Puesto que el inters se centra en el gas, ste es el sistema. Las superficies internas del mbolo y el cilindro forman la frontera, y como ninguna masa la cruza, se trata de un sistema cerrado. La energa puede cruzar la frontera y parte de la frontera (la superficie interna del mbolo, en este caso) se puede

Peso neto:una libra(454 g)

FIGURA 1-18Una peculiaridad del sistema mtrico de unidades.

ALREDEDORES

FRONTERA

SISTEMA

FIGURA 1-19Sistema, alrededores y frontera.

W mg 1453.6 g 2 19.81 m >s 2 2 a 1 N 1 kg # m >s 2 b a

1 kg

1 000 g b 4.49 N

EJEMPLO 1-3 El peso de una libra-masa

Por medio de las relaciones de conversin de unidades, muestre que 1.00 lbm pesa 1.00 lbf en la Tierra (Fig. 1-17).

Solucin Una masa de 1.00 lbm se somete a la gravedad terrestre estndar. Se determinar su peso en lbf.Suposiciones Se consideran condiciones estndar al nivel del mar.Propiedades La constante gravitacional es g 32.174 pie/s2.Anlisis Se aplica la segunda ley de Newton para calcular el peso (fuerza) que corresponde a la masa y aceleracin conocidas. El peso de cualquier objeto es igual a su masa multiplicada por el valor local de la aceleracin debida a la gravedad. As,

Explicacin La cantidad dentro del parntesis grande de esta ecuacin es una relacin de conversin unitar