Libro termodinamica cengel boles

1. DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS Aceleracin 1 m/s2 100 cm/s2 1 m/s2 3.2808 ft/s2 1 ft/s2 0.3048* m/s2 rea 1 m2 104 cm2 106 mm2 106 km2 1 m2 1550 in2 10.764 ft2 1 ft2 144 in2 0.09290304* m2 Densidad 1 g/cm3 1 kg/L 1000 kg/m3 1 g/cm3 62.428 lbm/ft3 0.036127 lbm/in3 1 lbm/in3 1728 lbm/ft3 1 kg/m3 0.062428 lbm/ft3 Energa, calor, trabajo, 1 kJ 1000 J 1000 N m 1 kPa m3 1 kJ 0.94782 Btu energa interna, 1 kJ/kg 1000 m2/s2 1 Btu 1.055056 kJ entalpa 1 kWh 3600 kJ 5.40395 psia ft3 778.169 lbf ft 1 cal 4.184 J 1 Btu/lbm 25,037 ft2/s2 2.326* kJ/kg 1 IT cal 4.1868 J 1 kJ/kg 0.430 Btu/lbm 1 Cal 4.1868 kJ 1 kWh 3412.14 Btu 1 termia 105 Btu 1.055 105 kJ (gas natural) Fuerza 1 N 1 kg m/s2 105 dina 1 N 0.22481 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 1000 mm 106 mm 1 m 39.370 in 3.2808 ft 1.0926 yd 1 km 1000 m 1 ft 12 in 0.3048* m 1 milla 5280 ft 1.6093 km 1 in 2.54* cm Masa 1 kg 1000 g 1 kg 2.2046226 lbm 1 tonelada mtrica 1000 kg 1 lbm 0.45359237* kg 1 onza 28.3495 g 1 slug 32.174 lbm 14.5939 kg 1 ton corta 2000 lbm 907.1847 kg Potencia, velocidad 1 W 1 J/s 1 kW 3412.14 Btu/h de transferencia 1 kW 1000 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 (1000 caloras IT). Factores de conversin

2. DIMENSIN MTRICO MTRICO/INGLS Volumen especfico 1 m3/kg 1000 L/kg 1000 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 1000 L 106 cm3 (cc) 1 m3 6.1024 104 in3 35.315 ft3 264.17 gal (U.S.) 1 U.S. galn 231 in3 3.7854 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 2118.9 ft3/min (cfm) Caballo de fuerza mecnico. El caballo de vapor elctrico se toma para que sea exactamente igual a 746 W. Algunas constantes fsicas Constante universal de los gases Ru 8.31447 kJ/kmol K 8.31447 kPa m3/kmol K 0.0831447 bar m3/kmol K 82.05 L atm/kmol K 1.9858 Btu/lbmol R 1545.37 ft lbf/lbmol R 10.73 psia ft3/lbmol R Aceleracin de la gravedad estndar g 9.80665 m/s2 32.174 ft/s2 Presin atmosfrica estndar 1 atm 101.325 kPa 1.01325 bar 14.696 psia 760 mm Hg (0C) 29.9213 in Hg (32F) 10.3323 m H2O (4C) Constante de Stefan-Boltzmann 5.6704 108 W/m2 K4 0.1714 108 Btu/h ft2 R4 Constante de Boltzmann k 1.380650 1023 J/K Velocidad de la luz en el vaco co 2.9979 108 m/s 9.836 108 ft/s Velocidad del sonido en aire seco a 0C y 1 atm c 331.36 m/s 1089 ft/s Calor de fusin del agua a 1 atm hif 333.7 kJ/kg 143.5 Btu/lbm Entalpa de vaporizacin del agua a 1 atm hfg 2256.5 kJ/kg 970.12 Btu/lbm Tasa de flujo volumtrico

3. TERMODINMICA

4. TERMODINMICA SEXTA EDICIN YUNUS A. ENGEL University of Nevada, Reno MICHAEL A. BOLES North Carolina State University Revisin tcnica Sofa Faddeeva Sknarina Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Estado de Mxico MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALA LISBOA MADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO AUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO

5. Director Higher Education: Miguel ngel Toledo Castellanos Director editorial: Ricardo A. del Bosque Alayn Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martnez Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodrguez Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca Traduccin: Virgilio Gonzlez y Pozo / Sergio M. Sarmiento TERMODINMICA Sexta edicin Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra, por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor. DERECHOS RESERVADOS 2009 respecto a la sexta edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V. A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc. Prolongacin Paseo de la Reforma 1015, Torre A Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe, Delegacin lvaro Obregn C.P. 01376, Mxico, D.F. Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736 ISBN 978-970-10-7286-8 (ISBN 970-10-5611-6 edicin anterior) Traducido de la sexta edicin de: Thermodynamics. An Engineering Approach. Copyright 1989, 1994, 1998, 2002, 2006, and 2008 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved. ISBN 978-0-07-352921-9 1234567890 08765432109 Impreso en Mxico Printed in Mexico

6. No hay nada ms horroroso que la ignorancia en accin. Goethe La sociedad que desprecia la excelencia de la plomera por ser una actividad humilde y tolera la falsedad de la filosofa porque es una actividad excelsa, no poseer una buena plomera ni una buena filosofa. Ni sus tuberas ni sus teoras conservarn el agua. John Gardner La integridad sin conocimiento es dbil e intil, mientras que el conocimiento sin integridad es peligroso y horrible. Samuel Jackson La preocupacin por el hombre y su destino siempre debe ser el inters primordial de todo esfuerzo tcnico. Nunca olvides esto entre tus diagramas y ecuaciones. Albert Einstein La semejanza mutua es origen de la contradiccin; la congruencia es la base de la solidaridad; la pequeez de carcter es la fuente de la arrogancia; la debilidad es la fuente del orgullo; la impotencia es el origen de la oposicin, y la curiosidad es el maestro del conocimiento. Said Nursi Todo el arte de la enseanza est despertando la curiosidad natural de las mentes jvenes. Anatole France Un gran maestro es aquel cuyo espritu entra en las almas de sus alumnos. John Milton Nadie lo sabr, excepto t. Sin embargo, debes vivir contigo mismo y siempre es mejor vivir con alguien que respetes, ya que el respeto engendra confianza. Jerome Weidman Un hbito es como un cable, tejemos un hilo de l todos los das y al final no podemos romperlo. Horace Mann El genio es el uno por ciento inspiracin y noventa y nueve por ciento transpiracin. Thomas A. Edison Aquel que deja de ser mejor, deja de ser bueno. Oliver Cromwell Cuando llamas misteriosa a una cosa significa que no la has comprendido. Lord Kelvin

7. ACERCA DE LOS AUTORES x | Yunus A. engel es Profesor Emrito de Ingeniera Mecnica en Univer- sity of Nevada, Reno. Obtuvo su licenciatura en ingeniera mecnica en Istan- bul Technical University, y su maestra y doctorado en ingeniera mecnica en la North Carolina State University. Sus reas de investigacin son energas renovables, desalacin, anlisis de exerga y energa y conservacin. Fue director del Industrial Assessment Center de University of Nevada, de 1996 a 2000. Ha presidido grupos de estudiantes de ingeniera en numerosas instala- ciones manufactureras del norte de Nevada y de California, donde hizo evalu- aciones industriales, y prepar informes de conservacin de energa, minimizacin de desperdicios y aumento de produccin para esas empresas. El doctor engel es coautor de Mecnica de fluidos y de Transferencia de calor y masa, ambos publicados por McGraw-Hill. Algunos de sus textos han sido traducidos al chino, japons, coreano, espaol, portugus, turco, italiano y griego. engel recibi varios y notables premios a la enseanza, as como el premio al Autor Distinguido que de ASEE Meriam/Wiley, en 1992, y de nuevo 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 Engineers (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 nombramientos 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 analtica 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.

8. CONTENIDO BREVE | xi Captulo 11 CICLOS DE REFRIGERACIN | 617 Captulo 12 RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS | 663 Captulo 13 MEZCLAS DE GASES | 695 Captulo 14 MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 731 Captulo 15 REACCIONES QUMICAS | 767 Captulo 16 EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 811 Captulo 17 FLUJO COMPRESIBLE | 843 Apndice 1 TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 903 Apndice 2 TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) | 953 Captulo 1 INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS | 1 Captulo 2 ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISIS GENERAL DE LA ENERGA | 51 Captulo 3 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS | 111 Captulo 4 ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS | 165 Captulo 5 ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) | 221 Captulo 6 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA | 281 Captulo 7 ENTROPA | 333 Captulo 8 EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO | 429 Captulo 9 CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 493 Captulo 10 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 561

9. | xiii Prefacio xxi Captulo 1 INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS | 1 1-1 Termodinmica y energa 2 reas de aplicacin de la termodinmica 3 1-2 Importancia de las dimensiones y unidades 3 Algunas unidades SI e inglesas 6 Homogeneidad dimensional 8 Relaciones de conversin de unidades 9 1-3 Sistemas cerrados y abiertos 10 1-4 Propiedades de un sistema 12 Continuo 12 1-5 Densidad y densidad relativa 13 1-6 Estado y equilibrio 14 Postulado de estado 14 1-7 Procesos y ciclos 15 Proceso de flujo estacionario 16 1-8 Temperatura y ley cero de la termodinmica 17 Escalas de temperatura 17 Escala de temperatura internacional de 1990 (ITS-90) 20 1-9 Presin 21 Variacin de la presin con la profundidad 23 1-10 Manmetro 26 Otros dispositivos de medicin de presin 29 1-11 Barmetro y presin atmosfrica 29 1-12 Tcnica para resolver problemas 33 Paso 1: enunciado del problema 33 Paso 2: esquema 33 Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34 Paso 4: leyes fsicas 34 Paso 5: propiedades 34 Paso 6: clculos 34 Paso 7: razonamiento, comprobacin y anlisis 34 Paquetes de software de ingeniera 35 Programa para resolver ecuaciones de Ingeniera (Engineering Equation Solver, EES) 36 Observacin acerca de los dgitos significativos 38 Contenido Resumen 39 Referencias y lecturas recomendadas 39 Problemas 40 Captulo 2 ENERGA, TRANSFERENCIA DE ENERGA Y ANLISIS GENERAL DE ENERGA | 51 2-1 Introduccin 52 2-2 Formas de energa 53 Algunas consideraciones fsicas en relacin con la energa interna 55 Ms sobre energa nuclear 56 Energa mecnica 58 2-3 Transferencia de energa por calor 60 Antecedentes histricos sobre el calor 61 2-4 Transferencia de energa por trabajo 62 Trabajo elctrico 65 2-5 Formas mecnicas del trabajo 66 Trabajo de flecha 66 Trabajo de resorte 67 Trabajo hecho sobre barras slidas elsticas 67 Trabajo relacionado con el estiramiento de una pelcula lquida 68 Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68 Formas no mecnicas del trabajo 69 2-6 La primera ley de la termodinmica 70 Balance de energa 71 Cambio de energa de un sistema, Esistema 72 Mecanismos de transferencia de energa, Eentrada y Esalida 73 2-7 Eficiencia en la conversin de energa 78 Eficiencia de dispositivos mecnicos y elctricos 82 2-8 Energa y ambiente 86 Ozono y smog 87 Lluvia cida 88 Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climtico 89 Tema de inters especial. Mecanismos de transferencia de calor 92 Resumen 96 Referencias y lecturas recomendadas 97 Problemas 98

10. xiv | Contenido Captulo 3 PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS | 111 3-1 Sustancia pura 112 3-2 Fases de una sustancia pura 112 3-3 Procesos de cambio de fase en sustancias puras 113 Lquido comprimido y lquido saturado 114 Vapor saturado y vapor sobrecalentado 114 Temperatura de saturacin y presin de saturacin 115 Algunas consecuencias de la dependencia de Tsat y Psat 117 3-4 Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase 118 1 Diagrama T-v 118 2 Diagrama P-v 120 Ampliacin de los diagramas para incluir la fase slida 121 3 Diagrama P-T 124 Superficie P-v-T 125 3-5 Tablas de propiedades 126 Entalpa: una propiedad de combinacin 126 1a Estados de lquido saturado y de vapor saturado 127 1b Mezcla saturada de lquido-vapor 129 2 Vapor sobrecalentado 132 3 Lquido comprimido 133 Estado de referencia y valores de referencia 135 3-6 Ecuacin de estado de gas ideal 137 El vapor de agua es un gas ideal? 139 3-7 Factor de compresibilidad, una medida de la desviacin del comportamiento de gas ideal 139 3-8 Otras ecuaciones de estado 144 Ecuacin de estado de Van der Waals 144 Ecuacin de estado de Beattie-Bridgeman 145 Ecuacin de estado de Benedict-Webb-Rubin 145 Ecuacin de estado virial 145 Tema de inters especial. Presin de vapor y equilibrio de fases 149 Resumen 153 Referencias y lecturas recomendadas 154 Problemas 154 Captulo 4 ANLISIS DE ENERGA DE SISTEMAS CERRADOS | 165 4-1 Trabajo de frontera mvil 166 Proceso politrpico 171 4-2 Balance de energa para sistemas cerrados 173 4-3 Calores especficos 178 4-4 Energa interna, entalpa y calores especficos de gases ideales 180 Relaciones de calores especficos de gases ideales 182 4-5 Energa interna, entalpa y calores especficos de slidos y lquidos 189 Cambios de energa interna 189 Cambios de entalpa 189 Tema de inters especial. Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos 193 Resumen 200 Referencias y lecturas recomendadas 201 Problemas 201 Captulo 5 ANLISIS DE MASA Y ENERGA DE VOLMENES DE CONTROL (SISTEMAS ABIERTOS) | 221 5-1 Conservacin de la masa 222 Flujos msico y volumtrico 222 Principio de conservacin de la masa 224 Balance de masa para procesos de flujo estacionario 225 Caso especial: flujo incompresible 226 5-2 Trabajo de flujo y energa de un fluido en movimiento 228 Energa total de un fluido en movimiento 229 Energa transportada por la masa 230 5-3 Anlisis de energa de sistemas de flujo estacionario 232 5-4 Algunos dispositivos de ingeniera de flujo estacionario 235 1 Toberas y difusores 235 2 Turbinas y compresores 238 3 Vlvulas de estrangulamiento 241 4a Cmaras de mezclado 242 4b Intercambiadores de calor 244 5 Flujo en tuberas y ductos 246 5-5 Anlisis de procesos de flujo no estacionario 248 Tema de inters especial. Ecuacin general de energa 254 Resumen 257 Referencias y lecturas recomendadas 258 Problemas 258 Captulo 6 LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICA | 281 6-1 Introduccin a la segunda ley 282 6-2 Depsitos de energa trmica 283

11. Contenido | xv 6-3 Mquinas trmicas 284 Eficiencia trmica 285 Es posible ahorrar Qsalida ? 287 La segunda ley de la termodinmica: enunciado de Kelvin-Planck 289 6-4 Refrigeradores y bombas de calor 289 Coeficiente de desempeo 290 Bombas de calor 291 La segunda ley de la termodinmica: enunciado de Clausius 294 Equivalencia de los dos enunciados 294 6-5 Mquinas de movimiento perpetuo 295 6-6 Procesos reversibles e irreversibles 298 Irreversibilidades 299 Procesos interna y externamente reversibles 300 6-7 El ciclo de Carnot 301 Ciclo de Carnot inverso 303 6-8 Principios de Carnot 303 6-9 Escala termodinmica de temperatura 305 6-10 La mquina trmica de Carnot 307 Calidad de la energa 309 Cantidad contra calidad en la vida diaria 310 6-11 El refrigerador de Carnot y la bomba de calor 311 Tema de inters especial. Refrigeradores domsticos 313 Resumen 317 Referencias y lecturas recomendadas 318 Problemas 318 Captulo 7 ENTROPA | 333 7-1 Entropa 334 Caso especial: procesos isotrmicos de transferencia de calor internamente reversibles 336 7-2 El principio del incremento de entropa 337 Algunos comentarios sobre la entropa 339 7-3 Cambio de entropa de sustancias puras 341 7-4 Procesos isentrpicos 345 7-5 Diagramas de propiedades que involucran a la entropa 346 7-6 Qu es la entropa? 348 La entropa y la generacin de entropa en la vida diaria 350 7-7 Las relaciones T ds 352 7-8 Cambio de entropa de lquidos y slidos 353 7-9 Cambio de entropa de gases ideales 356 Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 357 Calores especficos variables (anlisis exacto) 358 Proceso isentrpico de gases ideales 360 Calores especficos constantes (anlisis aproximado) 360 Calores especficos variables (anlisis exacto) 361 Presin relativa y volumen especfico relativo 361 7-10 Trabajo reversible en flujo estacionario 364 Demostracin de que los dispositivos de flujo estacionario entregan el mximo trabajo y consumen el mnimo cuando el proceso es reversible 367 7-11 Minimizacin del trabajo del compresor 368 Compresin por etapas mltiples con interenfriamiento 369 7-12 Eficiencias isentrpicas de dispositivos de flujo estacionario 372 Eficiencia isentrpica de turbinas 373 Eficiencias isentrpicas de compresores y bombas 375 Eficiencia isentrpica de toberas aceleradoras 377 7-13 Balance de entropa 379 Cambio de entropa de un sistema, )Ssistema 380 Mecanismos de transferencia de entropa, Sentrada y Ssalida 380 1 Transferencia de calor 380 2 Flujo msico 381 Generacin de entropa, Sgen 382 Sistemas cerrados 383 Volmenes de control 383 Generacin de entropa asociada con un proceso de transferencia de calor 391 Tema de inters especial. Reduccin del costo del aire comprimido 393 Resumen 402 Referencias y lecturas recomendadas 403 Problemas 404 Captulo 8 EXERGA: UNA MEDIDA DEL POTENCIAL DE TRABAJO | 429 8-1 Exerga: potencial de trabajo de la energa 430 Exerga (potencial de trabajo) asociado con la energa cintica y potencial 431 8-2 Trabajo reversible e irreversibilidad 433 8-3 Eficiencia segn la segunda ley, hII 438 8-4 Cambio de exerga de un sistema 440 Exerga de una masa fija: exerga sin flujo (o de sistema cerrado) 441 Exerga de una corriente de fluido: exerga de flujo (o corriente) 443 8-5 Transferencia de exerga por calor, trabajo y masa 446 Transferencia de exerga por calor, Q 446 Transferencia de exerga por trabajo, W 448 Transferencia de exerga por masa, m 448 8-6 Principio de disminucin de exerga y destruccin de exerga 449 Destruccin de exerga 450

12. 8-7 Balance de exerga: sistemas cerrados 450 8-8 Balance de exerga: volmenes de control 463 Balance de exerga para sistemas de flujo estacionario 464 Trabajo reversible, W rev 465 Eficiencia segn la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario, hII 465 Tema de inters especial. Aspectos cotidianos de la segunda ley 471 Resumen 475 Referencias y lecturas recomendadas 476 Problemas 476 Captulo 9 CICLOS DE POTENCIA DE GAS | 493 9-1 Consideraciones bsicas para el anlisis de los ciclos de potencia 494 9-2 El ciclo de Carnot y su valor en ingeniera 496 9-3 Suposiciones de aire estndar 498 9-4 Breve panorama de las mquinas reciprocantes 499 9-5 Ciclo de Otto: el ciclo ideal para las mquinas de encendido por chispa 500 9-6 Ciclo diesel: el ciclo ideal para las mquinas de encendido por compresin 506 9-7 Ciclos Stirling y Ericsson 509 9-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motores de turbina de gas 513 Desarrollo de las turbinas de gas 516 Desviacin de los ciclos reales de turbina de gas en comparacin con los idealizados 519 9-9 Ciclo Brayton con regeneracin 521 9-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneracin 523 9-11 Ciclos ideales de propulsin por reaccin 527 Modificaciones para motores de turborreactor 531 9-12 Anlisis de ciclos de potencia de gas con base en la segunda ley 533 Tema de inters especial. Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez 536 Resumen 543 Referencias y lecturas recomendadas 544 Problemas 545 xvi | Contenido Captulo 10 CICLOS DE POTENCIA DE VAPOR Y COMBINADOS | 561 10-1 El ciclo de vapor de Carnot 562 10-2 Ciclo Rankine: el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor 563 Anlisis de energa del ciclo Rankine ideal 564 10-3 Desviacin de los ciclos de potencia de vapor reales respecto de los idealizados 567 10-4 Cmo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 570 Reduccin de la presin del condensador (reduccin de Tbaja,prom) 570 Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de Talta,prom) 571 Incremento de la presin de la caldera (incremento de Talta,prom) 571 10-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 574 10-6 El ciclo Rankine ideal regenerativo 578 Calentadores abiertos de agua de alimentacin 578 Calentadores cerrados de agua de alimentacin 580 10-7 Anlisis de ciclos de potencia de vapor con base en la segunda ley 586 10-8 Cogeneracin 588 10-9 Ciclos de potencia combinados de gas y vapor 593 Tema de inters especial. Ciclos binarios de vapor 596 Resumen 599 Referencias y lecturas recomendadas 599 Problemas 600 Captulo 11 CICLOS DE REFRIGERACIN | 617 11-1 Refrigeradores y bombas de calor 618 11-2 El ciclo invertido de Carnot 619 11-3 El ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor 620 11-4 Ciclo real de refrigeracin por compresin de vapor 624 11-5 Seleccin del refrigerante adecuado 626 11-6 Sistemas de bombas de calor 628 11-7 Sistemas innovadores de refrigeracin por compresin de vapor 630 Sistemas de refrigeracin en cascada 630 Sistemas de refrigeracin por compresin de mltiples etapas 633

13. Contenido | xvii Sistemas de refrigeracin de propsito mltiple con un solo compresor 635 Licuefaccin de gases 636 11-8 Ciclos de refrigeracin de gas 638 11-9 Sistemas de refrigeracin por absorcin 641 Tema de inters especial. Sistemas termoelctricos de generacin de potencia y de refrigeracin 644 Resumen 646 Referencias y lecturas recomendadas 647 Problemas 647 Captulo 12 RELACIONES DE PROPIEDADES TERMODINMICAS | 663 12-1 Un poco de matemticas: derivadas parciales y relaciones asociadas 664 Diferenciales parciales 665 Relaciones de derivadas parciales 667 12-2 Relaciones de Maxwell 668 12-3 La ecuacin de Clapeyron 670 12-4 Relaciones generales para du, dh, ds, cv y cp 673 Cambios en la energa interna 673 Cambios de entalpa 674 Cambios de entropa 675 Calores especficos cv y cp 676 12-5 El coeficiente Joule-Thomson 680 12-6 Las h, u y s de gases reales 681 Cambios en la entalpa de gases reales 682 Cambios de energa interna de gases ideales 683 Cambios de entropa de gases reales 683 Resumen 686 Referencias y lecturas recomendadas 687 Problemas 687 Captulo 13 MEZCLAS DE GASES | 695 13-1 Composicin de una mezcla de gases: fracciones molares y de masa 696 13-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 698 Mezclas de gases ideales 699 Mezclas de gases reales 699 13-3 Propiedades de mezclas de gases: gases ideales y reales 703 Mezclas de gases ideales 704 Mezclas de gases reales 707 Tema de inters especial. Potencial qumico y el trabajo de separacin de mezclas 711 Resumen 722 Referencias y lecturas recomendadas 723 Problemas 723 Captulo 14 MEZCLAS DE GAS-VAPOR Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE | 731 14-1 Aire seco y aire atmosfrico 732 14-2 Humedad especfica y relativa del aire 733 14-3 Temperatura de punto de roco 735 14-4 Temperaturas de saturacin adiabtica y de bulbo hmedo 737 14-5 La carta psicromtrica 740 14-6 Comodidad humana y acondicionamiento de aire 741 14-7 Procesos de acondicionamiento de aire 743 Calentamiento y enfriamiento simples (v constante) 744 Calentamiento con humidificacin 745 Enfriamiento con deshumidificacin 746 Enfriamiento evaporativo 748 Mezclado adiabtico de flujos de aire 749 Torres de enfriamiento hmedo 751 Resumen 753 Referencias y lecturas recomendadas 755 Problemas 755 Captulo 15 REACCIONES QUMICAS | 767 15-1 Combustibles y combustin 768 15-2 Procesos de combustin terica y real 772 15-3 Entalpa de formacin y entalpa de combustin 778 15-4 Anlisis de sistemas reactivos con base en la primera ley 781 Sistemas de flujo estacionario 781 Sistemas cerrados 783 15-5 Temperatura de flama adiabtica 786 15-6 Cambio de entropa de sistemas reactivos 789 15-7 Anlisis de sistemas reactivos con base en la segunda ley 791 Tema de inters especial. Celdas de combustible 796 Resumen 798 Referencias y lecturas recomendadas 799 Problemas 799

14. Captulo 16 EQUILIBRIO QUMICO Y DE FASE | 811 16-1 Criterio para el equilibrio qumico 812 16-2 La constante de equilibrio para mezclas de gases ideales 814 16-3 Algunas observaciones respecto a la KP de las mezclas de gases ideales 817 16-4 Equilibrio qumico para reacciones simultneas 822 16-5 Variacin de KP con la temperatura 824 16-6 Equilibrio de fase 826 Equilibrio de fase para un sistema de un solo componente 826 La regla de fases 827 Equilibrio de fases para un sistema multicomponente 828 Resumen 833 Referencias y lecturas recomendadas 834 Problemas 835 Captulo 17 FLUJO COMPRESIBLE | 843 17-1 Propiedades de estancamiento 844 17-2 Velocidad del sonido y nmero de Mach 847 17-3 Flujo isentrpico unidimensional 849 Variacin de la velocidad del fluido con el rea de flujo 852 Relaciones de propiedades para el flujo isentrpico de gases ideales 854 17-4 Flujo isentrpico a travs de toberas aceleradoras 856 Toberas aceleradoras convergentes 856 Toberas convergentes-divergentes 861 17-5 Ondas de choque y ondas de expansin 865 Choques normales 865 Choques oblicuos 872 Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 876 17-6 Flujo en un ducto con transferencia de calor, de friccin insignificante (flujo de Rayleigh) 880 Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh 886 Flujo de Rayleigh bloqueado 887 17-7 Toberas de vapor de agua 889 Resumen 892 Referencias y lecturas recomendadas 893 Problemas 894 xviii | Contenido Apndice 1 TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES SI) | 903 Tabla A-1 Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crtico 904 Tabla A-2 Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 905 Tabla A-3 Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 908 Tabla A-4 Agua saturada. Tabla de temperaturas 910 Tabla A-5 Agua saturada. Tabla de presiones 912 Tabla A-6 Vapor de agua sobrecalentado 914 Tabla A-7 Agua lquida comprimida 918 Tabla A-8 Hielo saturado. Vapor de agua 919 Figura A-9 Diagrama T-s para el agua 920 Figura A-10 Diagrama de Mollier para el agua 921 Tabla A-11 Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 922 Tabla A-12 Refrigerante 134a saturado. Tabla de presin 924 Tabla A-13 Refrigerante 134a sobrecalentado 925 Figura A-14 Diagrama P-h para el refrigerante 134a 927 Figura A-15 Grfica generalizada de compresibilidad de Nelson-Obert 928 Tabla A-16 Propiedades de la atmsfera a gran altitud 929 Tabla A-17 Propiedades de gas ideal del aire 930 Tabla A-18 Propiedades de gas ideal del nitrgeno, N2 932 Tabla A-19 Propiedades de gas del oxgeno, O2 934 Tabla A-20 Propiedades de gas ideal del dixido de carbono, CO2 936 Tabla A-21 Propiedades de gas ideal del monxido de carbono, CO 938 Tabla A-22 Propiedades de gas ideal del hidrgeno, H2 940 Tabla A-23 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 941 Tabla A-24 Propiedades de gas ideal del oxgeno monoatmico, O 943 Tabla A-25 Propiedades de gas ideal del hidroxilo, OH 943

15. Contenido | xix Tabla A-26 Entalpa de formacin, funcin de Gibbs de formacin y entropa absoluta a 25C, 1 atm 944 Tabla A-27 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 945 Tabla A-28 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp 946 Figura A-29 Grfica generalizada de desviacin de entalpa 947 Figura A-30 Grfica generalizada de desviacin de entropa 948 Figura A-31 Grfica psicromtrica a 1 atm de presin total 949 Tabla A-32 Funciones de flujo compresible unidimensional e isentrpico de un gas ideal con k 1.4 950 Tabla A-33 Funciones de choque normal unidimensional de un gas ideal con k 1.4 951 Tabla A-34 Funciones del flujo de Rayleigh para un gas ideal con k 1.4 952 Apndice 2 TABLAS DE PROPIEDADES, FIGURAS Y DIAGRAMAS (UNIDADES INGLESAS) | 953 Tabla A-1E Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crtico 954 Tabla A-2E Calores especficos de gas ideal de varios gases comunes 955 Tabla A-3E Propiedades de lquidos, slidos y alimentos comunes 958 Tabla A-4E Agua saturada. Tabla de temperaturas 960 Tabla A-5E Agua saturada. Tabla de presiones 962 Tabla A-6E Vapor de agua sobrecalentado 964 Tabla A-7E Agua lquida comprimida 968 Tabla A-8E Hielo saturado. Vapor de agua 969 Figura A-9E Diagrama T-s para el agua 970 Figura A-10E Diagrama de Mollier para el agua 971 Tabla A-11E Refrigerante 134a saturado. Tabla de temperatura 972 Tabla A-12E Refrigerante 134a saturado. Tabla de presin 973 Tabla A-13E Refrigerante 134a sobrecalentado 974 Figura A-14E Diagrama P-h para refrigerante 134a 976 Tabla A-16E Propiedades de la atmsfera a gran altitud 977 Tabla A-17E Propiedades de gas ideal del aire 978 Tabla A-18E Propiedades de gas ideal del nitrgeno, N2 980 Tabla A-19E Propiedades de gas ideal del oxgeno, O2 982 Tabla A-20E Propiedades de gas ideal del dixido de carbono, CO2 984 Tabla A-21E Propiedades de gas ideal del monxido de carbono, CO 986 Tabla A-22E Propiedades de gas ideal del hidrgeno, H2 988 Tabla A-23E Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 989 Tabla A-26E Entalpa de formacin, funcin de Gibbs de formacin y entropa absoluta a 77C, 1 atm 991 Tabla A-27E Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 992 Figura A-31E Grfica psicromtrica a 1 atm de presin total 993 ndice 995

16. ANTECEDENTES La termodinmica es una materia excitante y fascinante que trata sobre la energa, la cual es esencial para la conservacin de la vida mientras que la termodinmica ha sido por mucho tiempo una parte fundamental de los progra- mas de estudio de ingeniera en todo el mundo. Ciencia que tiene una amplia aplicacin que va desde los organismos microscpicos hasta los electrodoms- ticos, los vehculos de transporte, los sistemas de generacin de energa elctrica e incluso la filosofa. Este libro contiene suficiente material para dos cursos consecutivos de termodinmica y se supone que los estudiantes poseen antecedentes slidos en fsica y clculo. OBJETIVOS Esta obra est pensada para ser utilizada por los estudiantes como libro de texto durante los ltimos aos de su licenciatura y por ingenieros expertos como libro de referencia. Los objetivos de esta obra son: Cubrir los principios bsicos de la termodinmica. Presentar una vasta cantidad de ejemplos reales de ingeniera con la finalidad de proporcionar al estudiante una idea de cmo se aplica la termodinmica 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 espacio que existe entre el conocimiento y la confianza para aplicar ade- cuadamente tal aprendizaje. FILOSOFA Y OBJETIVO La filosofa que contribuy a la enorme popularidad que gozaron anteriores ediciones 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 simple pero precisa a la mente de los futuros ingenieros. Conduzca a los estudiantes hacia una comprensin clara y un conocimiento firme 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. PREFACIO | xxi

17. xxii | Prefacio Se ha hecho un esfuerzo especial para atraer la curiosidad natural de los lectores y ayudar a los estudiantes a explorar las diversas facetas del emocionante tema de la termodinmica. La respuesta entusiasta que hemos recibido por parte de los usuarios de ediciones anteriores desde pequeas escuelas hasta grandes universidades indica que nuestros objetivos se han alcanzado en buena parte. Nuestra filosofa ha sido 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 present en ediciones anteriores. Antes, 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 reser- van principalmente a las computadoras. El ingeniero del maana deber tener una comprensin clara y conocimientos firmes sobre los principios bsicos de modo que pueda comprender incluso los problemas ms complejos, formular- los e interpretar los resultados. Nos esforzamos por enfatizar estos principios bsicos y adems ofrecemos a los estudiantes un panorama del uso que se da a las computadoras en la prctica de la Ingeniera. En todo el libro se ha utilizado el enfoque tradicional clsico o macroscpico con argumentos microscpicos que juegan un papel de soporte. Este enfoque est ms en lnea con la intuicin de los estudiantes y hace mucho ms fcil el aprendizaje de la materia. LO NUEVO EN ESTA EDICIN Todas las caractersticas conocidas de las ediciones anteriores se conservan y adems se aaden nuevas. Exceptuando la reorganizacin del tratamiento de la primera ley y la actualizacin de las propiedades del vapor y del refrigerante, el cuerpo principal del texto permanece en su mayor parte sin modificaciones. PRESENTACIN TEMPRANA DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA La primera ley de la termodinmica se presenta ahora en esta edicin al principio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y anlisis general de la 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 conversin 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 expone para los estudiantes algunas formidables aplicaciones de la termodinmica en la vida real y les ayuda a crear conciencia del valor econmico de la energa. MS DE 700 PROBLEMAS DETALLADOS NUEVOS En esta edicin se incluyen ms de 700 problemas detallados nuevos, que se originaron principalmente en aplicaciones industriales. Son problemas cuya solucin requiere investigaciones paramtricas, y por tanto el uso de una computadora; se identifican con un cono, como antes. NFASIS EN LA FSICA Una 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

18. Prefacio | xxiii problemas prcticos que es probable que un ingeniero deba encarar en el mundo real. El desarrollo de una comprensin intuitiva tambin debe hacer algo ms motivadora y valiosa para los estudiantes. USO EFICIENTE DE LA ASOCIACIN Una 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 reali- zan 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 demostrar los principios bsicos de la termodinmica. AUTOAPRENDIZAJE El material del texto se presenta en un nivel de complejidad tal que un estudiante promedio pueda seguirlos sin tener ningn problema. Se dirige a los estudiantes, no pasa sobre ellos; de hecho, se presta para el autoaprendizaje. La secuencia de la cobertura del material va de lo simple a lo general. Es decir, comienza con el caso ms simple y agrega complejidad de forma gra- dual. De esta manera los conceptos bsicos se aplican repetidamente a sistemas 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 experimentales, 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 IMGENES Las figuras son instrumentos importantes para el aprendizaje y permiten a los estudiantes darse una idea general. En el texto se hace un uso eficiente de los grficos: contiene ms figuras e ilustraciones que ningn otro libro de esta categora. Las figuras atraen la atencin y estimulan la curiosidad y el inters. Algunas de las figuras sirven como un medio para enfatizar conceptos importantes que de otra forma pasaran 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 resaltar 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? OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Y RESMENES Los captulos comienzan con una descripcin general del material que se estudiar 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 CON UN PROCEDIMIENTO SISTEMTICO PARA RESOLVERLOS Cada captulo contiene varios ejemplos de ejercicios que esclarecen el material e ilustran el uso de los principios bsicos. En la resolucin de los problemas de ejemplo se utiliz un enfoque intuitivo y sistemtico, mientras que se conserv un estilo informal de conversacin. 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

19. xxiv | Prefacio propiedades necesarias para resolver el problema, si as lo amerita. Se utilizan valores numricos en conjunto con sus unidades para enfatizar 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 solucin, se anali- za 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 REALES AL FINAL DE CADA CAPTULO Los 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 verificar el nivel de comprensin del estudiante sobre conceptos bsicos. Los problemas que se agrupan en el apartado Problemas de repaso son de naturaleza ms completa y no estn relacionados directamente con alguna seccin especfica 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 comu- nicar sus descubrimientos de manera profesional. Los problemas identificados con la letra E estn en unidades inglesas, por lo que los usuarios del SI pueden ignorarlos. Los problemas marcados con el cono se resuelven utilizando el software Engineer Equation Solver (EES), y todas sus soluciones junto con los estudios paramtricos estn incluidos en el DVD anexo al libro. Los problemas marcados con el cono son de naturaleza ms completa y estn diseados para resolverse por medio de la computadora, de preferencia utilizando el software que acompaa al libro. Varios problemas relacionados con la economa y la seguridad se incorporan a lo largo del libro para reforzar entre los estudiantes de ingeniera la conciencia acerca del costo y la seguridad. Las respuestas a algunos problemas seleccionados se enumeran inmediatamente despus de la descripcin de los mismos para mayor comodidad. Adems, con el fin de preparar a los estudiantes 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 aparta- dos 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. CONVENCIN DE SIGNOS Se 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 fsicamente 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 SIGNIFICATIVAS Las formas fsicamente significativas de las ecuaciones de balance se usan 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,

20. Prefacio | xxv 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 estudiantes 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 INGLESAS Como 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 usan- do 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 inglesas estn identificados con la letra E, colocado despus del n- mero con la finalidad de que sea sencillo reconocerlos; asimismo, los usuarios del sistema SI pueden ignorarlos sin ningn problema. TEMAS DE INTERS ESPECIAL La mayora de los captulos contienen una seccin llamada Tema de inters especial, en la que se analizan algunos aspectos interesantes de la termodinmica. Ejemplos de ello son Aspectos termodinmicos de los sistemas biolgicos, que aparece en el captulo 4; Refrigeradores domsticos, del 6; Aspec- tos cotidianos de la segunda ley, del 8, y Ahorro de combustible y dinero al manejar sensatamente, del captulo 9. Los temas seleccionados para esta seccin ofrecen extensiones verdaderamente intrigantes sobre termodinmica; sin embargo, si se desea pueden omitirse sin que esto represente una prdida de continuidad. GLOSARIO DE TRMINOS TERMODINMICOS A lo largo de todos los captulos, cuando se presenta y define un trmino o concepto de fundamental importancia, ste aparece en negritas. FACTORES DE CONVERSIN Los 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 referencia fcil de usar. Transferencia neta de energa por calor, trabajo y masa Cambio en la energa interna, cintica, potencial, etc. Transferencia neta de entropa por calor, trabajo y masa Generacin entrpica Cambio en la entropa Transferencia neta de exerga por calor, trabajo y masa Destruccin de exerga Cambio de exerga Xentrada Xsalida Xeliminado Xsistema entrada salida gen sistema Eentrada Esalida Esistema entrada salida sistema

21. xxvi | Prefacio SUPLEMENTOS Los siguientes suplementos se encuentran disponibles para quienes estudian con este libro. DVD DE RECURSOS PARA EL ESTUDIANTE Incluido sin costo alguno en cada ejemplar, este DVD ofrece una gran cantidad de recursos para los estudiantes que incluye experimentos fsicos de termodinmica, una gua interactiva y el software EES. Experimentos fsicos de termodinmica: Una caracterstica nueva de esta edicin es la inclusin de experimentos fsicos de termodinmica, elaborados por Ronald Mullisen del Departamento de Ingeniera Mecnica de Cal Poly, en San Luis Obispo. Ubicados en lugares convenientes en los mrgenes de los captulos 1, 3 y 4, estos experimentos fsicos aparecen mediante fotografas y texto que se relacionan directamente con el material estudiado en esa pgina. Los textos remiten al lector a los problemas que se hallan al final del captulo, los cuales proporcionan una breve descripcin de los experimentos. stos cubren los temas propiedades termodinmicas, procesos termodinmicos y leyes termodinmicas. El DVD de recursos para el estudiante cubre completamente los nueve experimentos, cada uno de los cuales contiene un videoclip, una narracin completa que a su vez contiene los antecedentes histricos y datos reales (en un archivo de Excel, generalmente). Las respuestas tambin se proporcionan en el sitio de Internet que acompaa al libro y estn protegidos con contrasea para el uso del profesor. Una vez que el estudiante haya visto el video y ledo el texto, estar listo para reducir los datos y obtener resultados que se relacionan directamente con el material que se presenta en los captulos. En todos los experimentos, los resultados finales se compa- ran con la informacin publicada. La mayora de los experimentos arrojan resultados finales que se encuentran dentro del 10 por ciento o muy cerca de este porcentaje respecto a los valores publicados. Gua interactiva de termodinmica: Tambin incluida en el DVD de recursos para el estudiante est la Gua interactiva de termodinmica, desarrollada por Ed Anderson de la Texas Tech University. Esta gua revisada se relaciona directamente con el texto a travs de un cono que indica cundo los estudiantes debern remitirse a sta para investigar ms a fondo temas especficos como el balance de energa y los procesos isentrpicos. Engineering Equation Solver (EES): Desarrollado por Sanford Klein y Wi- lliam Beckman, de University of Wisconsin-Madison, este programa combina la capacidad de resolver ecuaciones y los datos de las propiedades de ingeniera. El EES puede hacer operaciones de optimizacin, anlisis paramtricos y regresin lineal y no lineal; adems, posee la capacidad para elaborar grficos con la calidad que se requiere para su publicacin. Se incluyen las propiedades termodinmicas y de transporte del aire, agua y muchos otros fluidos, lo que permite que el usuario del EES pueda ingresar datos de propiedades o relaciones funcionales.

22. Prefacio | xxvii AGRADECIMIENTOS Los autores desean reconocer, con aprecio, los numerosos y valiosos comentarios, sugerencias, crticas constructivas y elogios por parte de los siguientes evaluadores y revisores: Ralph Aldredge University of CaliforniaDavis M. Cengiz Altan University of Oklahoma M. Ruhul Amin Montana State University Edward E. Anderson Texas Tech University Kirby S. Chapman Kansas State University Ram Devireddy Louisiana State University Timothy Dowling University of Louisville Gloria D. Elliott University of North CarolinaCharlotte Afshin J. Ghajar Oklahoma State University Daniel K. Harris Auburn University Jerre M. Hill University of North CarolinaCharlotte Shoeleh Di Julio California State UniversityNorthridge Gunol Kojasoy University of WisconsinMilwaukee Marilyn Lightstone McMaster University Robert P. Lucht Purdue University Pedro J. Mago Mississippi State University James A. Mathias Southern Illinois State University Pavlos G. Mikellides Arizona State University Laurent Pilon University of CaliforniaLos Angeles Subrata Roy Kettering University Brian Savilonis Worcester Polytechnic Institute Kamran Siddiqui Concordia University Robert Spall Utah State University Israel Urieli Ohio University Sus sugerencias ayudaron mucho a mejorar la calidad de este texto. En particular quisiramos expresar nuestra gratitud a Mehmet Kanoglu, de Univer- sity 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 conoci- mos 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, comprensin y apoyo durante la preparacin de este texto. Yunus A. engel Michael A. Boles

23. | xxix La termodinmica es una materia fascinante que trata sobre la energa. Tiene una amplia aplicacin que va desde los organismos microscpicos y aparatos domsticos hasta los vehculos, los sistemas de generacin de potencia e incluso la filosofa. Las figuras son herramientas importantes para el aprendizaje que ayudan a los estudiantes a obtener un panorama sobre el tema, y esta obra utiliza de manera efectiva los grficos al presentar ms ilustraciones y fotografas que cualquier otro texto sobre termodinmica. Visita guiada En este libro se hace nfasis en los aspectos fsicos de la termodinmica, as como en las representaciones y manipulaciones matemticas. Los autores consideran que el nfasis en la educacin a nivel licenciatura debe continuar desa- rrollando el conocimiento de los mecanismos f- sicos en los que se basa esta materia, as como la destreza en la resolucin de problemas prcticos con los que el ingeniero se enfrentar, muy pro- bablemente, en el mundo real. Compresor de baja presin (CBP), 5 etapas Colector de aire extrado del CBP Brida de impulsin de extremo fro Compresor de alta presin, 14 etapas Combustor Mltiple del sistema de combustible Turbina de alta presin, 2 etapas Turbina de baja presin, 5 etapas Brida de impulsin de extremo caliente Cortesa de GE Power Sistemas EJEMPLO 2-17 Ahorros de costo relacionados con motores de alta eficiencia Un motor elctrico de 60 hp (es decir, que entrega 60 hp de potencia de flecha a plena carga) con una eficiencia de 89 por ciento est descompuesto y debe ser remplazado por otro de alta eficiencia: 93.2 por ciento (Fig. 2.61). El motor opera 3 500 horas al ao a plena carga. Tomando el costo unitario de la electricidad como $0.08/kWh, determine la cantidad de energa y dinero ahorrado como resultado de instalar el motor de alta eficiencia en lugar del estndar. Tambin determine el periodo de retorno simple si los precios de compra de los motores estndar y de alta eficiencia son $4 520 y $5 160, respectivamente. Solucin Se remplazar un motor inservible estndar por uno de alta eficiencia y se determinar la cantidad de energa elctrica y el dinero ahorrado, as como el periodo de retorno simple. Suposiciones El factor de carga del motor permanece constante en 1 (plena carga) mientras opera Anlisis La potencia elctrica que extrae cada motor y su diferencia se expresan como donde estndar es la eficiencia del motor estndar y eficiente es la del de alta eficiencia. Entonces la energa anual y los ahorros de costo relacionados con la instalacin del motor de alta eficiencia son Costos de energa (ahorros de potencia)(horas de operacin) (potencia nominal)(horas de operacin) (factor de carga)(1/ estndar 1/ eficiente) (60 hp)(0.7457 kW/hp)(3 500 h/ao)(1)(1/0.89 1/0.932) 7 929 kWh/ao Ahorros de costo (ahorros de energa)(costo unitario de energa) (7 929 kWh/ao)($0.08/kWh) $634/ao Asimismo, Costo inicial extra diferencia del precio de compra $5 160 $4 520 $640 Esto da un periodo de retorno simple de Explicacin El motor de alta eficiencia paga su diferencia de precio dentro de un ao debido a la energa elctrica que ahorra. Como la vida til de los motores elctricos es de varios aos, en este caso la compra del de mayor eficiencia es definitivamente la indicada. Periodo de retorno simple Costo inicial extra Ahorros de costo anual $640 $634>aos 1.01 aos Ahorro de energa W # elctrica entrada,estndar W # elctrica entrada,eficiente W # elctrica entrada,eficiente W # flecha> eficiente 1potencia nominal2 1factor de carga2> eficiente W # elctrica entrada,estndar W # flecha> estndar 1potencia nominal2 1factor de carga2> estndar 1potencia nominal 2 1factor de carga2 11> estndar 1> eficiente2 Motor estndar 60 hp h Motor de alta eficiencia 60 hp FIGURA 2-61 Esquema para el ejemplo 2-17. h

24. Cada captulo comienza con una perspectiva del material a exponer, y los objetivos de aprendizaje, que se vinculan con los objetivos ABET. Se incluye un resumen al final de cada captulo donde aparece un repaso rpido de los conceptos bsicos y las relaciones importantes, y se hace destacar la relevancia del material. Visita guiada xxx | La primera ley de la termodinmica se presenta al inicio del captulo 2, Energa, transferencia de energa y anlisis general de la energa. Este captulo proporciona una comprensin general de la energa, de los mecanismos de la transferencia de energa, del concepto de balance de energa, de la economa trmica, de la conversin de la energa y de la eficiencia de la conversin. Asimismo, se expone al estudiante desde el comienzo del curso algunas emocionantes aplicaciones de la termodinmica en el mundo real, lo cual les ayuda a establecer un sentido del valor econmico de la energa EJEMPLO 2-11 Aceleracin de aire mediante un ventilador Mientras opera, un ventilador que consume 20 W de potencia elctrica y que se halla en un cuarto abierto descarga aire a una tasa de 0.25 kg/s y una velocidad de descarga de 8 m/s (Fig. 2.48). Determine si esta afirmacin es ra- zonable. Solucin Un ventilador incrementa la velocidad del aire a un valor especificado mientras consume potencia elctrica a una velocidad especificada. Se investigar la validez de esta afirmacin. Suposiciones Como el cuarto est relativamente en calma, es insignificante la velocidad del aire ah contenido. Anlisis Se examinan las conversiones de energa del caso: el motor del ventilador convierte parte de la potencia elctrica que consume en potencia mecnica (flecha) empleada para hacer girar las aspas del ventilador. Las aspas estn diseadas para transmitir al aire una porcin grande de la potencia mecnica de la flecha para moverlo. En el caso ideal de una permanente operacin con ausencia de prdidas (sin conversin de energa elctrica y mecnica en energa trmica), la entrada de potencia elctrica ser igual a la tasa de incremento de la energa cintica del aire. Por lo tanto, para un volumen de control que encierra al motor, el balance de energa se expresa como Si se despeja y sustituye Vsalida se obtiene la velocidad mxima de salida de aire lo cual es menor a 8 m/s. Por lo tanto, la afirmacin es falsa. Explicacin El principio de conservacin de la energa requiere que la energa se conserve cuando se convierte de una a otra forma y no permite que ningu- na energa se cree ni se destruya durante un proceso. Desde el punto de vista de la primera ley, no hay ningn error con la conversin de toda la energa elctrica en energa cintica. Por lo tanto, la primera ley no tiene objecin en que la velocidad del aire alcance 6.3 m/s, pero ste es el lmite superior. Cualquier afirmacin de una velocidad mayor a este lmite viola la primera ley y por lo tanto es imposible. En realidad, la velocidad del aire ser considera- blemente menor que 6.3 m/s como resultado de las prdidas relacionadas con la conversin de energa elctrica en energa mecnica de flecha y la conversin de sta en energa cintica del aire. Vsalida B W # elctrico,entrada 2m # aire B 20 J>s 210.25 kg>s2 a 1 m2 > > s2 1 J>kg b 6.3 m s W # elctrico,entrada m # aireecsalida m # aire V2 salida 2 Tasa de cambio en las energas internaTasa de transferencia de energa neta por calor, trabajo y masa cintica, potencial, etctera dEsistema > dt 0 1permanente 2 0 S E # entrada E # salida E # entrada E # salida Aire 8 m/s Ventilador FIGURA 2-48 Esquema para el ejemplo 2-11. Vol. 0557/PhotoDisc Objetivos Los objetivos del captulo 8 son: Examinar el funcionamiento de mecanismos de ingeniera a la luz de la segunda ley de la termodinmica. Definir exerga, que es el trabajo til mximo que se puede obtener del sistema en determinado estado, en un ambiente especificado. Definir trabajo reversible, que es el trabajo til mximo que se puede obtener cuando un sistema pasa por un proceso entre dos estados especificados. Definir la destruccin de exerga, que es el potencial trabajo desperdiciado durante un proceso, como resultado de irreversibilidades. Definir la eficiencia de la segunda ley. Desarrollar la ecuacin de balance de exerga.. Aplicar el balance de exerga a sistemas cerrados y volmenes de control.

25. Visita guiada | xxxi Cada captulo contiene problemas de ejemplo resueltos, del mundo real. Los autores usan un mtodo consistente para resolver problemas y al mismo tiempo conservan su estilo de conversacin informal. EJEMPLO 2-13 Costo anual de la iluminacin de un saln de clases Para iluminar un saln de clases se utilizan 30 lmparas fluorescentes, cada una con un consumo de 80 W de electricidad (Fig. 2.50). Las luces se mantienen encendidas durante 12 horas al da y 250 das por ao. Para un costo de electricidad de 7 centavos por kWh, determine el costo anual de energa y explique los efectos que la iluminacin tendr sobre la calefaccin y el sistema de aire acondicionado del saln de clases. Solucin Se piensa iluminar un saln de clases mediante lmparas fluorescentes. Se determinar el costo anual de la electricidad para iluminacin y se analizar el efecto que sta tendr en la calefaccin y en el sistema de aire acondicionado. Suposiciones El efecto de las fluctuaciones de voltaje es insignificante porque cada lmpara fluorescente consume su potencia nominal. Anlisis La potencia elctrica que consumen las lmparas cuando todas estn encendidas y el nmero de horas por ao que as se mantienen se expresa Potencia de iluminacin (potencia que consume la lmpara) (nmero de lmparas) (80 W/lmpara)(30 lmparas) 2 400 W 2.4 kW Horas de operacin (12 h/da)(250 das/ao) 3 000 h/ao Entonces la cantidad y el costo de la electricidad usada por ao es Energa de iluminacin (potencia de iluminacin)(horas de operacin) (2.4 kW)(3 000 h/ao) 7 200 kWh/ao Costo de iluminacin (energa de iluminacin)(costo unitario) (7 200 kWh/ao)($0.07/kWh) $504/ao Las superficies absorben la luz que incide en ellas y sta se convierte en energa trmica. Si se ignora la luz que escapa por las ventanas, los 2.4 kW de potencia elctrica que consumen las lmparas en algn momento se vuelven parte de la energa trmica del saln, por lo tanto el sistema de iluminacin reduce los requerimientos de calefaccin en 2.4 kW, pero incrementa la carga del sistema de aire acondicionado en 2.4 kW. Explicacin El costo de iluminacin para el saln de clases es mayor a $500, lo que demuestra la importancia de las medidas de conservacin de energa. Si se emplearan bombillas elctricas incandescentes, los costos de iluminacin se cuadruplicaran, ya que este tipo de lmparas usan cuatro veces ms potencia para producir la misma cantidad de luz. 600 kPa 50C 0C vapor sat. R-134a COMPRESOR FIGURA P7-131 7-131 El compresor adiabtico de un sistema de refrigeracin comprime vapor saturado de R-134a a 0C a 600 kPa y 50C. Cul es la eficiencia isentrpica de este compresor? Nuestro texto contiene casi 3.000 problemas de tarea, de los cuales 700 son nuevos en esta edicin. Los problemas de fin de captulo se agrupan en temas especficos para facilitar a profesores y alumnos su seleccin. Las respuestas a problemas seleccionados aparecen inmediatamente despus del problema, para comodidad de los alumnos.

26. Visita guiada xxxii | SUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE PARA EL ESTUDIANTE DVD DE RECURSOS PARA EL ESTUDIANTE (Incluido sin costo en cada libro) Los siguientes recursos se encuentran disponibles en el DVD de recursos para el estudiante: Experimentos Fsicos de Termodinmica. El profesor Ronald Mullisen, del departamento de ingeniera mecnica de la California Polytechnic State University, en San Luis Obispo, desarroll nueve experimentos fsicos de termodinmica. stos ilustran directamente las propiedades, los procesos y las leyes. Adems de estar totalmente integrados al texto a travs del uso de conos al margen, as como fotografas y problemas de tarea al final de cada captulo. Los experimentos fsicos de termodinmica contienen: Videos (~5 minutos) que examinan y describen cada experimento (con audio). Descripciones (~10 pginas) que ofrecen un panorama de los experimentos fsicos de la termodinmica y que desarrollan el objetivo, la introduccin, los antecedentes histricos, el anlisis, el material que se necesitar y las notaciones. Datos (archivo en Excel de una pgina) que permiten a los estudiantes reducir los datos y obtener resultados. Respuestas (disponibles en el sitio de Internet con contrasea de proteccin para uso exclusivo de los profesores). En cada experimento, los resultados finales se compa- ran con la informacin publicada. Muchos de los experimentos proporcionan resultados que se encuentran dentro del 10 por ciento o un poco ms con respecto a los valores publicados. EXPERIMENTO

27. Gua interactiva de termodinmica. El profesor Ed Anderson del departamento de ingeniera mecnica de Texas Tech University cre una gua interactiva de termodinmica actualizada que est muy relacionada con el texto mediante conos situados al margen del mismo, indicando los puntos de la gua a los que los estudiantes puede remitirse para estudiar con mayor profundidad los temas dif- ciles como entropa y la segunda ley de la termodinmica. sta es una excelente ayuda para que los estudiantes refuercen su aprendizaje acerca de los conceptos termodinmicos. Engineering Equation Solver El EES es un poderoso resolvedor de ecuaciones con funciones y tablas de propiedades integradas para las propiedades de transporte y termodinmicas, as como con la capacidad de verificar de manera autom- tica las unidades. Requiere de menos tiempo que la calculadora para ingresar datos permitiendo as que se cuente con ms tiempo para el razonamiento crtico del modelado y la resolucin de los problemas de ingeniera. Busque los conos EES en las secciones de tarea del texto. | xxxiii Visita guiadaSUPLEMENTOS DE APRENDIZAJE PARA EL ESTUDIANTE

28. | 1 Toda ciencia posee un vocabulario nico y la termodinmica no es la excepcin. La definicin precisa de conceptos bsicos constituye una base slida para el desarrollo de una ciencia y evita posibles malas interpretaciones. 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. Posterior- mente se presenta presin, definida como la fuerza normal que ejerce un fluido 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. Objetivos En el captulo 1, los objetivos son: Identificar el vocabulario especfico relacionado con la termodinmica por medio de la definicin precisa de conceptos bsicos con la finalidad 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, equilibrio, proceso y ciclo. Revisar los conceptos de temperatura, escalas de temperatura, presin y presiones absoluta y manomtrica. Introducir una tcnica intuitiva y sistemtica para resolver problemas. Captulo 1 INTRODUCCIN Y CONCEPTOS BSICOS

29. 2 | Introduccin y conceptos bsicos 1-1 TERMODINMICA Y ENERGA La termodinmica se puede definir como la ciencia de la energa. Aunque todo mundo tiene idea de lo que es la energa, es difcil definirla de forma precisa. 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 in- terpreta 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 (alimentos) 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 contenido energtico de un cuerpo o de cualquier otro sistema es igual a la diferencia 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 propiedad 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 caliente 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 primeras 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 si- multnea a partir del ao de 1850, principalmente de los trabajos de William Rankine, Rudolph Clausius y Lord Kelvin (antes William Thomson). El trmino 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 bien que una sustancia est constituida por un gran nmero de partculas llamadas molculas, y que las propiedades de dicha sustancia de- penden, por supuesto, del comportamiento de estas partculas. Por ejemplo, la presin 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 Energa potencial Energa cintica EP = 10 unidades EC = 0 EP = 7 unidades EC = 3 unidades FIGURA 1-1 La 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 1-2 Principio de conservacin de la energa para el cuerpo humano. VASE TUTORIAL CAP. 1, SECC. 1, EN EL DVD. TUTORIAL INTERACTIVO

30. Captulo 1 | 3 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 enfoque ms elaborado, basado en el comportamiento promedio de grupos grandes 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 termodinmica En 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 ingeniera y otros aspectos de la vida y no es necesario ir muy lejos para compro- bar esto. Por ejemplo, el corazn bombea sangre en forma constante a todo nuestro cuerpo, diferentes conversiones de energa ocurren en trillones de c- lulas 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 producto de la termodinmica (Fig. 1-4). Muchos utensilios 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 acondicionado, el refrigerador, el humidificador, la olla de presin, el calentador de agua, la regadera, la plancha e incluso la computadora y el aparato de televisin. En una escala mayor, la termodinmica desempea una parte importante en el dise- o y anlisis de motores automotrices, cohetes, motores de avin, plantas 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 reduccin 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 magnitudes 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 dimensiones primarias y se llaman dimensiones secundarias o dimensiones derivadas. Calor Ambiente fro 20C Caf caliente 70C FIGURA 1-3 El calor fluye en direccin de la temperatura decreciente. Colectores solares Agua caliente Intercambiador de calor Bomba Regadera Agua fra Depsito de agua caliente FIGURA 1-4 El diseo de muchos sistemas de ingeniera, como este sistema solar para calentar agua, tiene que ver con la termodinmica. VASE TUTORIAL CAP. 1, SECC. 2, EN EL DVD. TUTORIAL INTERACTIVO

31. 4 | Introduccin y conceptos bsicos 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 actualidad 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 In- ternational d Units), tambin llamado sistema internacional. El SI es un sistema simple y lgico basado en una relacin decimal entre las distintas unidades, 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 sistema 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 aprendizaje sea confuso y difcil. Estados Unidos es el nico pas industriali- zado que an no adopta por completo el sistema mtrico. Los esfuerzos sistemticos para desarrollar un sistema de unidades universal aceptable datan de 1790 cuando la Asamblea Nacional Francesa encarg 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 es- FIGURA 1-5 Algunas reas de aplicacin de la termodinmica. Unidad de aire acondicionado, refrigerador, radiador, The McGraw-Hill Companies, Inc./Jill Braaten, fotgrafo; avin: Vol. 14/PhotoDisc; humanos: Vol. 121/PhotoDisc; planta de energa: Corbis Royalty Free. Cuerpo humano Sistemas de acondicionamiento de aire Aviones Radiadores de automviles Plantas de energa Sistemas de refrigeracin

32. Captulo 1 | 5 te 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 fundamentales, 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 (cantidad de luz). En 1971, la CGPM aadi una sptima cantidad fundamental y unidad: 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 unidad se escribira con mayscula si la unidad provena de un nombre pro- pio. Por ejemplo, la unidad SI de fuerza, nombrada en honor a Sir Isaac New- ton (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 res- to 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 agen- cias federales pasaran al sistema mtrico. Sin embargo, los plazos se relaja- ron 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 apresurado en pasar al sistema mtrico por razones econmicas (tener un solo diseo mun- dial, 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 perca- ten sino 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 per- manecer 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 enumeran 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 1012 tera, T 109 giga, G 106 mega, M 103 kilo, k 102 hecto, h 101 deca, da 101 deci, d 102 centi, c 103 mili, m 106 micro, m 109 nano, n 1012 pico, p

33. 6 | Introduccin y conceptos bsicos Algunas unidades SI e inglesas En el SI, las unidades de masa, longitud y tiempo son kilogramo (kg), metro (m) y segundo (s), respectivamente. Las unidades correspondientes en el sistema 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 unidad para 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 ft/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 magni- tud se determina a partir de la segunda ley de Newton, (1-2) 200 mL (0.2 L) 1 kg (103 g) 1 M (106 ) FIGURA 1-6 Los 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 ft/s2 F = 1 lbf F = 1 N FIGURA 1-7 Definicin de unidades de fuerza. 10 manzanas m = 1 kg 4 manzanas m = 1 lbm1 manzana m = 102 g 1 kgf 1 lbf 1 N FIGURA 1-8 Magnitudes relativas de las unidades de fuerza newton (N), kilogramo- fuerza (kgf) y libra fuerza (lbf). W mg 1N2 1 lbf 32.174 lbm # ft>s2 1 N 1 kg # m>s2 F ma 1 ft 0.3048 m 1 lbm 0.45359 kg

34. Captulo 1 | 7 donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleracin gravitacional local (g es 9.807 m/s2 o 32.174 ft/s2 al nivel del mar y latitud 45). Una bscula de bao 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 gravitacional. Un cuerpo pesa menos en la cima de una montaa puesto que g disminuye 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 indistin- ta como libra (lb), lo cual es uno de los principales 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 magnitudes de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Por consiguiente, la aceleracin gravitacional g en un lugar de- pende 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 9.8295 m/s2 a 4 500 m debajo del nivel del mar hasta 7.3218 m/s2 a 100 000 m arriba del nivel del mar. Sin embargo, a altitudes de hasta 30 000 m, 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 pro- psitos prcticos, la aceleracin gravitacional se supone como constante en 9.81 m/s2. Es interesante notar que en lugares situados abajo del nivel del mar el valor de g se incrementa con la distanc

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