4

~

Prefacjo xxi

Capítulo1INTRODUCCiÓNY CONCEPTOSBÁSICOSI 1

-<1

II

~r

,.

~ t

lO

"

1-1 Termodinámicay energía 2Áreasde aplicaciónde la termodinámica 3

Importancia de las dimensionesy unidades 3Algunas unidades SI e inglesas 6Homogeneidad dimensional 8Relaciones de conversión de unidades 9

Sistemas cerrados y abiertos 10

Propiedades de un sistema 12Continuo12

1-2

1-3

1-4

1-5

1-6Densidad y densidad relativa

Estado y equilibrio 14Postuladode estado 14

Procesos y ciclos 15Proceso de flujo estacionario 16

13

1-7

1-8 Temperatura y ley cerode la termodinámica 17Escalas de temperatura 17Escala de temperatura internacional de 1990

(1TS-90) 20

Presión 21Variación de la presión con la profundidad 23

1-9

1-10 Manómetro 26Otros dispositivos de medición de presión 29

Barómetro y presión atmosféríca 29

Técnica para resolver problemas 33Paso 1: enunciado del problema 33

Paso 2: esquema 33Paso 3: suposiciones yaproximaciones 34

Paso 4: leyes físicas 34Paso 5: propiedades 34Paso 6: cálculos 34

Paso 7: razonamiento, comprobación yanálisis 34Paquetes de software de ingeniería 35Programa para resolver ecuaciones de Ingeniería

(Engineering Equation So/ver, EES) 36Observación acerca de los dígitos

significativos 38

1-11

1-12

Resumen 39Referenciasy lecturasrecomendadas 39Problemas 40

Capftulo2 .

ENERGíA,TRANSFERENCIADEENERGíAYANÁLISISGENERALDEENERGíAI 51

2-1

2-2

Introducción 52

Formas de energía 53AlgunasconsideracioQesfísicasen relación

con la energíainterna 55Mássobreenergíanuclear 56Energíamecánica 58

Transferencia de energía por calor 60Antecedenteshistóricos sobre el calor 61

2-3

2-4 Transferencia de energía por trabajoTrabajoeléctrico 65

Formas mecánicas del trabajo 66Trabajo de flecha 66Trabajode resorte 67 ~

Trabajo hecho sobre barras sólidas elásticas 67Trabajo relacionado con el estiramiento

de una película líquida 68Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68Formas no mecánicas del trabajo 69

62

2-5

2-6 La primera ley de la termodinámica 70Balance de energía 71Cambio de energía de un sistema, ~Esistema 72Mecanismos de transferencia, de energía,

EentradaY Esalida 73

2-7 Eficiencia en la conversión de energía 78Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 82

Energía y ambiente 86Ozonoy smog 87Lluviaácida 88Efectoinvernadero:calentamientoglobal

y cambioclimático 89

Temade interésespecial.Mecanismosdetransferenciade calor 92

2-8

Resumen 96Referenciasy lecturasrecomendadas 97Problemas 98

xiii

4-1

4-2

xiv Contenido

Capftulo3PROPIEDADESDELASSUSTANCIASPURASI 111

3-1

3-2

3-3

Sustancia pura 112

Fases de una sustancia pura 112

Procesos de cambio de fase

en sustancias puras 113Líquidocomprimido y líquidosaturado 114Vaporsaturadoy vaporsobrecalentado 114Temperaturade saturacióny presiónde saturación 115Algunasconsecuenciasde la dependencia

de TsatY Psal 117

Diagramas de propiedades paraprocesos de cambio de fase 1181 DiagramaT-v 1182 DiagramaP-v 120Ampliación de losdiagramaspara incluir la fase

sólida 1213 DiagramaP-T 124SuperficieP-v-T 125

Tablas de propiedades 126Entalpía:una propiedadde combinación 126la Estadosde líquidosaturado

y de vapor saturado 127lb Mezclasaturadade líquido-vapor 1292 Vaporsobrecalentado 1323 Líquidocomprimido 133Estadode referenciay valoresde referencia 135

Ecuación de estado de gas ideal 137¿Elvapor de aguaes un gas ideal? 139

Factor de compresibilidad, una medida

de la desviación del comportamientode gas ideal 139

Otras ecuaciones de estado 144Ecuaciónde estadode Vander Waals 144Ecuaciónde estadode Beattie-Bridgeman 145Ecuaciónde estadode Benedict-Webb-Rubin 145Ecuaciónde estadovirial 145

Temade interésespecial.Presióndevapory equilibriode fases 149

3-4

3-5

3-6

3-7

3-8

Resumen 153Referenciasy lecturasrecomendadas 154Problemas 154

Capftulo4ANÁLISISDEENERGíADESISTEMASCERRADOSI 165

Trabajo de frontera móvilProcesopolitrópico 171

Balance de energía parasistemas cerrados 173

166

6-1

6-2

4-3

4-4Calores específicos 178

Energía interna, entalpía y calores específicosde gases ideales 180Relacionesde caloresespecíficos

de gasesideales 182

Energía interna, entalpía y caloresespecíficos de sólidos y líquidos 189Cambiosde energíainterna 189Cambiosde entalpía 189

Temade interésespecial.Aspectostermodinámicosde lossistemasbiológicos 193

Resumen 200Referenciasy lecturasrecomendadas 201Problemas 201

4-5

Capftulo5ANÁLISISDEMASAY ENERGíADEVOLÚMENES

DE CONTROL(SISTEMASABIERTOS) I 221

5-1 Conservación de la masa 222Flujosmásicoy volumétrico 222Principiode conservaciónde la masa 224Balancede masapara procesosde flujo estacionario 225Casoespecial:flujo incompresible 226

Trabajo de flujo y energíade un fluido en movimiento 228Energíatotal de un fluido en movimiento 229Energíatransportadapor la masa 230

Análisis de energía de sistemasde flujo estacionario 232

Algunos dispositivos de ingenieríade flujo estacionario 2351 Toberasy difusores 2352 Turbinasy compresores 2383 Válvulasde estrangulamiento 2414a Cámarasde mezclado 2424b Intercambiadoresde calor 2445 Flujoen tuberíasy ductos 246

Análisis de procesos de flujo no estacionario 248

Temadeinterésespecial.Ecuacióngeneraldeenergía 254

5-2

5-3

5-4

5-5

Resumen 257Referenciasy lecturasrecomendadas 258Problemas 258

Capítulo6LASEGUNDALEYDELATERMODINÁMICAI 281

Introducción a la segunda ley 282

Depósitos de energía térmica 283

'1

6-3

~

",',.

~

"~.

't

6-4

Máquinas térmicas 284Eficienciatérmica 285¿Es posible ahorrar Osalida? 287La segunda ley de la termodinámica:

enunciado de Kelvin-Planck 289

Refrigeradores y bombas de calor 289Coeficientede desempeño 290Bombasde calor 291Lasegunda leyde la termodinámica:

enunciadode Clausius 294Equivalenciade losdos enunciados 294

Máquinas de movimiento perpetuo

Procesos reversible s e irreversiblesIrreversibilidades 299Procesosinternay externamentereversibles 300

6-5

6-6

295

298

6-7 El ciclo de Carnot 301Ciclo de Carnot inverso 303

Principios de Carnot 303

Escala termodinámica de temperatura

La máquina térmica de Carnot 307Calidadde la energía 309Cantidadcontracalidadenlavidadiaria 310

305

6-8

6-9

6-10

6-11 El refrigerador de Carnoty la bomba de calor 311Temade interésespecial.Refrigeradoresdomésticos313 .

Resumen 317Referenciasy lecturasrecomendadas 318Problemas 318

Capftulo7ENTROPíAI 333

7-1 Entropía 334Casoespecial: procesosisotérmicosde transferencia

de calor internamentereversibles 336

El principio del incremento de entropía 337Algunoscomentariossobre la entropía 339

Cambio de entropía de sustancias puras 341

Procesos isentrópicos 345

Diagramas de propiedades que involucrana la entropía 346

¿Qué es la entropía? 348Laentropíay la generaciónde entropíaen la vida diaria 350

7-2

7-3

7-4

7-5

7-6

7-7

7-8

7-9

Las relaciones T ds 352

Cambio de entropía de líquidos y sólidos 353

Cambio de entropía de gases ideales 356Caloresespecíficosconstantes(análisisaproximado) 357Caloresespecíficosvariables(análisisexacto) 358Procesoisentrópicode gasesideales 360

7-10

7-11

Contenido xv

7-12

Caloresesp~cíficosconstantes(análisisaproximado) 360Caloresespecíficosvariables(análisisexacto) 361Presiónrelativay volumenespecíficorelativo 361

Trabajo reversible en flujo estacionario 364Demostraciónde que losdispositivosde flujo estacionario

entreganel máximotrabajoy consumenel mínimo

cuando el procesoes reversi~le 367

Minimización del trabajo del compresor 368Compresiónporetapasmúltiples

con interenfriamiento 369

Eficiencias isentrópicas de dispositivosde flujo estacionario 372Eficienciaisentrópicade turbinas 373Eficienciasisentrópicasde compresoresy bombas 375Eficienciaisentrópicade toberasaceleradoras 377

7-13 Balance de entropía 379Cambiode entropíade un sistema,LlSsistema380Mecanismosde transferenciade entropía,

Sentraday Ssalida3801 Transferenciade calor 380

2 Flujomásico 381Generaciónde entropía,Sgen 382Sistemascerrados 383Volúmenesde control 383Generaciónde entropíaasociadacon un proceso

de transferenciade calor 391

Temade interésespecial.Reduccióndelcostodel aire comprimido 393

Resumen 402Referenciasy lecturasrecomendadas 403Problemas 404

Capítulo8EXERGíA:UNAMEDIDADELPOTENCIAL

DETRABAJOI 429

8-1 Exergía: potencial de trabajo de la energíaExergía(potencialde trabajo)asociado

con la energíacinética y potencial 431

Trabajo reversible e irreversibilidad 433

Eficiencia según la segunda ley, 1]11 438

Cambio de exergía de un sistema 440Exergíade una masafija: exergíasin flujo

(o de sistemacerrado) 441Exergíade una corrientede fluido:, exergíade flujo (o corriente) 443

Transferencia de exergía por calor,trabajo y masa 446Transferenciade exergíapor calor,O 446Transferenciade exergíapor trabajo, W 448Transferenciade exergíapor masa,m 448

Principio de disminución de exergíay destrucción de exergía 449Destrucciónde exergía 450

430

8-2

8-3

8-4

8-5

8-6

xvi Contenido

8-7 Balance de exergía: sistemascerrados 450

Balance de exergía: volúmenesde control. 463Balance de exergía para sistemas de flujo

estacionario 464Trabajoreversible,W rev 465Eficiencia según la segunda ley para dispo~itivos

de flujo estacionario, 7]11 465

Temade interésespecial.Aspectoscotidianosde la segundaley 471

8-8

Resumen 475Referenciasy lecturasrecomendadas 476Problemas 476

Capítu109CICLOSDEPOTENCIADEGAS I 493

9-1 Consideracionesbásicaspara el análisisde los ciclos de potencia 494

El ciclo de Carnot y su valoren ingeniería 496

9-2

9-3

9-4

Suposiciones de aire estándar 498

Breve panorama de las máquinasreciprocantes 499

9-5 Ciclo de Otto:el ciclo ideal para las máquinasde encendido por chispa 500

Ciclo diesel: el ciclo ideal para las máquinasde encendido por compresión 506

Ciclos Stirling y Ericsson 509

9-6

9-7

9-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motoresde turbina de gas 513Desarrollo de las turbinas de gas 516Desviación de los ciclos reales de turbina de gas

en comparacióncon los idealizados 519

9-9 Ciclo Braytoncon regeneración 521

9-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento,recalentamiento y regeneración 523

9-11 Ciclos ideales de propulsiónpor reacción 527Modificaciones para motores de turborreactor 531

Análisis de Ciclos de potencia de gascon base en la segunda ley 533Temadeinterésespecial.Ahorrodecombustibleydineroalmanejarconsensatez 536

9-12

Resumen 543Referenciasy lecturasrecomendadas 544Problemas 545

Capítulo 1OCICLOSDE POTENCIADEVAPOR

YCOMBINADOSI 561

10-1

10-2El ciclo de vapor de Carnot 562

Ciclo Rankine: el ciclo ideal paralos ciclos de potencia de vapor 563Análisis de energía del ciclo Rankine ideal 564

Desviación de los ciclos de potencia de vaporreales respecto de los idealizados 567

¿Cómo incrementar la eficienciadel ciclo Rankine? 570Reducción de la presión del condensador

(reducción de Tba¡a,prom)570Sobrecalentamiento del vapor a altas

temperaturas !:-incremento de Talta,prom)571Incremento de la presión de la caldera

(incremento de Talta,prom)571

El ciclo Rankine ideal con recalentamiento

10-3

10-4

10-5

10-6

574

El ciclo Rankine ideal regenerativo 578Calentadores abiertos de agua de alimentación 578Calentadores cerrados de agua de alimentación 580

Análisis de ciclos de potencia de vaporcon base en la segunda ley 586

Cogeneración 588

Ciclos de potencia combinadosde gas y vapor 593

Temadeinterésespecial.Ciclosbinariosdevapor 596

10-7

10-8

10-9

Resumen 599Referenciasy lecturasrecomendadas 599Problemas 600

Capítulo 1J.

CICLOSDEREFRIGERACiÓNI 617

11-4

11-5

11-6

11-7

11-1

11-2

11-3

Refrigeradores y bombas de calor 618

El ciclo invertido de Carnot 619

El ciclo ideal de refrigeraciónpor compresión de vapor 620

Ciclo real de refrigeraciónpor compresión de vapor 624

Selección del refrigerante adecuado

Sistemas de bombas de calor 628

626

Sistemas innovadores de refrigeraciónpor compresión de vapor 630Sistemas de refrigeración en cascada 630Sistemas de refrigeración por compresión

de múltiples etapas 633

l.

Sistemasde refrigeraciónde propósitomúltiplecon un solocompresor 635

Licuefacciónde gases 636

Ciclos de refrigeración de gas 638

Sistemas de refrigeraciónpor absorción 641

Temadeinterésespecial.Sistemastermoeléctricosdegeneracióndepotenciayderefrigeración644

11-8

11-9

Resumen 646

Referenciasy lecturasrecomendadas 647Problemas 647

Capítulo 12 .

RELACIONESDEPROPIEDADES

TERMODINÁMICASI 663

Un poco de matemáticas: derivadas parcialesy relaciones asociadas 664Diferencialesparciales 665Relacionesdederivadasparciales 667

12-2 Relaciones de Maxwell 668

12-3 La ecuación de Clapeyron 670

12-4 Relaciones generales para du, dh, ds,

Cvy cp 673Cambiosen laenergíainterna 673Cambiosdeentalpía 674Cambiosdeentropía 675CaloresespecíficosCvy cp 676

12-5 El coeficiente Joule- Thomson 680

12-6 Las /lh, /lu y /ls de gases reales 681Cambiosen la entalpíade gasesreales 682Cambiosde energíainternade gasesideales 683Cambiosde entropíade gasesreales 683

12-1

Resumen 686Referenciasy lecturasrecomendadas 687Problemas 687

CapítuloMEZCLASDE GASES I 695

13-1 Composición de una mezcla de gases:fracciones molares y de masa 696

13-2 Comportamiento P-v-T de mezclasde gases: gases ideales y reales 698Mezclasde gasesideales 699Mezclasde gasesreales 699

Propiedades de mezclas de gases:gases ideales y reales 703Mezclasdegasesideales 704Mezclasdegasesreales 707

13-3

Contenido xvii

Temade interésespecial.Potencialquímicoy el trabajodeseparaciónde mezclas 711

Resumen 722Referenciasy lecturasrecomendadas 723Problemas 723

Capítulo14MEZCLASDEGAS-VAPORY ACONDICIONAMIENTODEAIRE I 731

14-1 Aire seco y aire atmosférico 732

14-2 Humedad específica y relativa del aire 733

14-3 Temperatura de punto de rocío 735

14-4 Temperaturas de saturaciónadiabática y de bulbo húmedo 737

14-5 La carta psicrométrica 740

14-6 Comodidad humana y acondicionamientode aire 741

14-7 Procesos de acondicionamiento de aire 743Calentamientoy enfriamientosimples (w = constante) 744Calentamientocon humidificación 745Enfriamientocon deshumidificación 746Enfriamientoevaporativo 748Mezcladoadiabáticode flujos de aire 749Torresde enfriamientohúmedo 751

Resumen 753Referenciasy lecturasrecomendadas 755Problemas 755

Capítulo15REACCIONESQUíMICASI 767

15-1 Combustibles y combustión 768

15-2 Procesos de combustión teórica y real 772

15-3 Entalpía de formación y entalpíade combustión 778

15-4 Análisis de sistemas reactivos con base

en la primera ley 781Sistemasde flujo estacionario 781Sistemascerrados 783

15-5 Temperatura de flama adiabática 786

15-6 Cambio de entropía de sistemas reactivos 789

15-7 Análisis de sistemas reactivos con baseen la segunda ley 791

Temadeinterésespecial.Celdasdecombustible796Resumen 798Referenciasy lecturasrecomendadas 799Problemas 799

xviii Contenido

Capítulo J6-EQUILIBRIOQUíMICOY DEFASE I 811

ApéndiceJTABLASDE PROPIEDADES,FIGURAS

YDlAGRAMAS(UNIDADESSI) I 90316-1 Criterio para el equilibrio químico 812

16-2 La constante de equilibrio para mezclasde gases ideales 814 .

16-3 Algunas observaciones respecto a la Kpde las mezclas de gases ideales 817

16-4 Equilibrio químico para reaccionessimultáneas 822

16-5 Variación de Kp con la temperatura 824

16-6 Equilibrio de fase 826Equilibriode fase para un sistemade un solo

componente 826Lareglade fases 827Equilibriode fases para un sistema

multicomponente 828

TablaA-l

TablaA-2

TablaA-3

TablaA-4

TablaA-5TablaA-6TablaA-7TablaA-a

FiguraA-9FiguraA-lO

Resumen 833Referencias y lecturas recomendadas 834Problemas 835

Capítulo 17FLUJOCOMPRESIBLEI 843

TablaA-ll

TablaA-12

17-1 Propiedades de estancamiento 844

17-2 Velocidad del sonido y númerode Mach 847

17-3 Flujo isentrópico unidimensional 849Variación de la velocidad del fluido con el área

de flujo 852

Relaciones de propiedades para el flujo isentrópicode gases ideales 854

17-4 Flujo isentrópico a través de toberasaceleradoras 856Toberas aceleradoras convergentes 856Toberas convergentes-divergentes 861

TablaA-13

FiguraA-14

FiguraA-15

TablaA-16

TablaA-17TablaA-la

TablaA-1917-5 Ondas de choque y ondas

de expansión 865Choquesnormales 865Choquesoblicuos 872Ondasexpansivasde Prandtl-Meyer 876

17-6 Flujo en un ducto con transferenciade calor, de fricción insignificante(flujo de Rayleigh) 880Relaciones de propiedades para flujos

de Rayfeigh 886Flujo de Rayleigh bloqueado 887

17-7 Toberas de vapor de agua 889

Resumen 892Referenciasy lecturasrecomendadas 893Problemas 894

TablaA-20

TablaA-2l

TablaA-22

TablaA-23

TablaA-24

TablaA-25

Masamolar, constante de gas ypropiedades del punto crítico 904

Calores específicos de gas idealde varios gases comunes 905

Propiedades de líquidos, sólidosy alimentos comunes 908

Agua saturada. Tablade temperaturas 910

Agua saturada. Tabla de presiones 912

Vapor de agua sobrecalentado 914

Agua-líquida comprimida 918

Hielo saturado. Vapor de agua 919

Diagrama T-s para el agua 920

Diagrama de Mollier parael agua 921

Refrigerante 134a saturado. Tablade temperatura 922

Refrigerante 134a saturado. Tablade presión 924

Refrigerante 134a sobrecalentado 925

Diagrama P-h para elrefrigerante 134a 927

Gráfica generalizada de compresibilidadde Nelson-Obert 928

Propiedades de la atmósfera a granaltitud 929

Propiedades de gas ideal del aire 930

Propiedades de gas ideal del nitrógeno,N2 932

Propiedades de gas del oxígeno,°2 934Propiedades de gas ideal del dióxidode carbono, CO2 936

Propiedades de gas ideal del monóxidode carbono, CO 938

Propiedades de gas ideal del hidrógeno,H2 940

Propiedades de gas ideal del vaporde agua, H20 941

Propiedades de gas ideal del oxígenomonoatómico, O 943

Propiedades de gas ideal del hidroxilo,OH 943

TablaA-26

TablaA-27

TablaA-28

FiguraA-29

FiguraA-30

FiguraA-31

TablaA-32

TablaA-33

TablaA-34

Entalpía de formación, función de Gibbsde formación y entropía absoluta a 25°C,1 atm 944

Propiedades de algunos combustiblese hidrocarburos comunes 945

Logaritmos naturales de la constantede equilibrio Kp 946Gráfica generalizada de desviaciónde entalpía 947

Gráfica generalizada de desviaciónde entropía 948

Gráfica psicrométrica a 1 atm de presióntotal 949

Funciones de flujo compresibleunidimensional e isentrópico deun gas ideal con k = 1.4 950

Funciones de choque normalunidimensional de un gas idealcon k = 1.4 951

Funciones del flujo de Rayleigh para ungas ideal con k = 1.4 952

Apéndice 2TABLASDEPROPIEDADES,FIGURASY DlAGRAMAS

(UNIDADESINGLESAS)I 953

TablaA-1E

TablaA-2E

TablaA-3E

TablaA-4E

TablaA-5E

Masa molar, constante de gas ypropiedades del punto crítico 954

Calores específicos de gas idealde varios gases comunes 955

Propiedades de líquidos, sólidosy alimentos comunes -958

Agua saturada. Tablade temperaturas 960

Agua saturada. Tablade presiones 962

TablaA-6ETablaA-7ETablaA-8E

FiguraA-9EFigura A-1 QETablaA-11E

TablaA-12E

TablaA-13E

FiguraA-14E

TablaA-16E

TablaA-17ETablaA-18E

TablaA-19E

TablaA-20E

TablaA-21E

TablaA-22E

TablaA-23E

TablaA-26E

TablaA-27E

Figura A-31 E

índice 995

Contenido

Vapor de agua sobrecalentado 964

Agua líquida comprimida 968

Hielo saturado. Vapor de agua 969

Diagrama T-s para el agua 970

Diagrama de Mollier para;el agua 971Refrigerante 134a saturado. Tablade temperatura 972

Refrigerante 134a saturado. Tablade presión 973

Refrigerante l34a sobrecalentado 974

Diagrama P-h para refrigerante134a 976

Propiedades de la atmósfera a granaltitud 977

Propiedades de gas ideal del aire 978

Propiedades de gas ideal del nitrógeno,N2 980

Propiedades de gas ideal del oxígeno,O2 982

Propiedades de gas ideal del dióxidode carbono, CO2 984

Propiedades de gas ideal del monóxidode carbono, CO 986

Propiedades de gas ideal del hidrógeno,H2 988

Propiedades de gas ideal del vaporde agua, HP 989

Entalpía de formación, función de Gibbsde formación y entropía absoluta a 77°C,1 atm 991

Propiedades de algunos combustiblese hidrocarburos comunes 992

Gráfica psicrométrica a 1 atmde presión total 993

xix