Termodinámica / Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Mehmet Kanoglu.

CONTENIDO
CAPÍTULO 1. Introducción y conceptos básicos 1
1-1 Termodinámica y energía 2
Áreas de aplicación de la termodinámica 3
1-2 Importancia de las dimensiones y unidades 3
Algunas unidades SI e inglesas 6
Homogeneidad dimensional 8
Relaciones de conversión de unidades 9
1-3 Sistemas y volúmenes de control 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 termodinámica 17
Escalas de temperatura 17
Escala internacional de temperatura de 1990 (ITS-90) 20
1-9 Presión 21
Variación de la presión con la profundidad 23
1-10 Dispositivos para la medición de la presión 26
Barómetro 26
Manómetro 29
Otros dispositivos de medición de presión 32
1-11 Técnica para resolver problemas 33
Paso 1: enunciado del problema 34
Paso 2: esquema 34
Paso 3: suposiciones y aproximaciones 34
Paso 4: leyes físicas 34
Paso 5: propiedades 34
Paso 6: cálculos 34
Paso 7: razonamiento, comprobación y análisis 35
Paquetes de software de ingeniería 35
Solucionadores de ecuaciones 36
Observación acerca de los dígitos significativos 38
Resumen 39
Referencias y lecturas recomendadas 39
Problemas 40
CAPÍTULO 2. Energía, transferencia de energía y análisis general de energía 51
2-1 Introducción 52
2-2 Formas de energía 53
Algunas consideraciones físicas de la energía interna 55
Más sobre energía nuclear 56
Energía mecánica 58
2-3 Transferencia de energía por calor 60
Antecedentes históricos sobre el calor 61
2-4 Transferencia de energía por trabajo 62
Trabajo eléctrico 65
2-5 Formas mecánicas del trabajo 66
Trabajo de flecha 66
Trabajo de resorte 67
Trabajo hecho sobre barras sólidas elásticas 67
Trabajo relacionado con el estiramiento de una película líquida 68
Trabajo hecho para elevar o acelerar un cuerpo 68
Formas no mecánicas del trabajo 70
2-6 La primera ley de la termodinámica 70
Balance de energía 72
Cambio de energía de un sistema 72
Mecanismos de transferencia de energía 73
2-7 Eficiencia en la conversión de energía 77
Eficiencia de dispositivos mecánicos y eléctricos 81
2-8 Energía y ambiente 85
Ozono y esmog 86
Lluvia ácida 87
Efecto invernadero: calentamiento global y cambio climático 88
Tema de interés especial: Mecanismos de transferencia de calor 91
Resumen 96
Referencias y lecturas recomendadas 96
Problemas 97
CAPÍTULO 3. Propiedades de las sustancias puras 109
3-1 Sustancia pura 110
3-2 Fases de una sustancia pura 110
3-3 Procesos de cambio de fase en sustancias puras 111
Líquido comprimido y líquido saturado 112
Vapor saturado y vapor sobrecalentado 112
Temperatura de saturación y presión de saturación 113
Algunas consecuencias de la dependencia de Tsat y Psat 115
3-4 Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase 116
1 Diagrama T-v 116
2 Diagrama P-v 118
Ampliación de los diagramas para incluir la fase sólida 119
3 Diagrama P-T 121
Superficie P-v-T 121
3-5 Tablas de propiedades 122
Entalpía: una propiedad de combinación 123
1a Estados de líquido saturado y de vapor saturado 123
1b Mezcla saturada de líquido-vapor 125
2 Vapor sobrecalentado 128
3 Líquido comprimido 130
Estado de referencia y valores de referencia 131
3-6 Ecuación de estado de gas ideal 133
¿El vapor de agua es un gas ideal? 135
3-7 Factor de compresibilidad, una medida de la desviación del comportamiento de gas ideal 136
3-8 Otras ecuaciones de estado 139
Ecuación de estado de Van der Waals 140
Ecuación de estado de Beattie-Bridgeman 140
Ecuación de estado de Benedict-Webb-Rubin 141
Ecuación de estado virial 142
Tema de interés especial: Presión de vapor y equilibrio de fases 144
Resumen 148
Referencias y lecturas recomendadas 149
Problemas 149
CAPÍTULO 4. Análisis de energía de sistemas cerrados 159
4-1 Trabajo de frontera móvil 160
Proceso politrópico 164
4-2 Balance de energía para sistemas cerrados 166
4-3 Calores específicos 171
4-4 Energía interna, entalpía y calores específicos de gases ideales 172
Relaciones de calores específicos de gases ideales 175
4-5 Energía interna, entalpía y calores específicos de sólidos y líquidos 180
Cambios de energía interna 180
Cambios de entalpía 180
Tema de interés especial: Aspectos termodinámicos de los sistemas biológicos 183
Resumen 191
Referencias y lecturas recomendadas 192
Problemas 192
CAPÍTULO 5. Análisis de masa y energía de volúmenes de control 209
5-1 Conservación de la masa 210
Flujos másico y volumétrico 210
Principio de conservación de la masa 212
Balance de masa para procesos de flujo estacionario 214
Caso especial: flujo incompresible 214
5-2 Trabajo de flujo y energía de un fluido en movimiento 216
Energía total de un fluido en movimiento 217
Energía transportada por la masa 218
5-3 Análisis de energía de sistemas de flujo estacionario 220
5-4 Algunos dispositivos ingenieriles de flujo estacionario 223
1 Toberas y difusores 223
2 Turbinas y compresores 226
3 Válvulas de estrangulamiento 229
4a Cámaras de mezclado 230
4b Intercambiadores de calor 232
5 Flujo en tuberías y ductos 234
5-5 Análisis de procesos de flujo no estacionario 236
Tema de interés especial: Ecuación general de energía 241
Resumen 244
Referencias y lecturas recomendadas 245
Problemas 245
CAPÍTULO 6. La segunda ley de la termodinámica 267
6-1 Introducción a la segunda ley 268
6-2 Depósitos de energía térmica 269
6-3 Máquinas térmicas 270
Eficiencia térmica 271
¿Es posible ahorrar Q salida? 273
La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Kelvin-Planck 275
6-4Refrigeradores y bombas de calor 275
Coeficiente de desempeño 276
Bombas de calor 277
Desempeño de refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor 278
La segunda ley de la termodinámica: enunciado de Clausius 280
Equivalencia de los dos enunciados 280
6-5 Máquinas de movimiento perpetuo 281
6-6 Procesos reversibles e irreversibles 284
Irreversibilidades 285
Procesos interna y externamente reversibles 286
6-7 El ciclo de Carnot 287
Ciclo de Carnot inverso 289
6-8 Principios de Carnot 289
6-9 Escala termodinámica de temperatura 290
6-10 La máquina térmica de Carnot 292
Calidad de la energía 294
Cantidad contra calidad en la vida diaria 295
6-11 El refrigerador de Carnot y la bomba de calor 296
Tema de interés especial: Refrigeradores domésticos 299
Resumen 303
Referencias y lecturas recomendadas 304
Problemas 304
CAPÍTULO 7. Entropía 319
7-1 Entropía 320
Caso especial: procesos isotérmicos de transferencia de calor internamente reversibles 322
7-2 El principio del incremento de entropía 323
Algunos comentarios sobre la entropía 325
7-3 Cambio de entropía de sustancias puras 327
7-4 Procesos isentrópicos 331
7-5 Diagramas de propiedades que involucran a la entropía 332
7-6 ¿Qué es la entropía? 334
La entropía y la generación de entropía en la vida diaria 336
7-7 Las relaciones T ds 337
7-8 Cambio de entropía de líquidos y sólidos 339
7-9 Cambio de entropía de gases ideales 342
Calores específicos constantes (análisis aproximado) 343
Calores específicos variables (análisis exacto) 343
Procesos isentrópicos de gases ideales 345
Calores específicos constantes (análisis aproximado) 345
Calores específicos variables (análisis exacto) 346
Presión relativa y volumen específico relativo 346
7-10 Trabajo reversible de flujo estacionario 350
Demostración de que los dispositivos de flujo estacionario entregan el máximo trabajo y consumen el mínimo cuando el proceso es reversible 353
7-11 Minimización del trabajo del compresor 354
Compresión en etapas múltiples con interenfriamiento 355
7-12 Eficiencias isentrópicas de dispositivos de flujo estacionario 357
Eficiencia isentrópica de turbinas 358
Eficiencias isentrópicas de compresores y bombas 360
Eficiencia isentrópica de toberas 362
7-13 Balance de entropía 364
Cambio de entropía de un sistema 365
Mecanismos de transferencia de entropía, S entrada y S salida 365
1 Transferencia de calor 366
2 Flujo másico 366
Generación de entropía, S gen 367
Sistemas cerrados 368
Volúmenes de control 369
Generación de entropía asociada con un proceso de transferencia de calor 376
Tema de interés especial: Reducción del costo del aire comprimido 377
Resumen 386
Referencias y lecturas recomendadas 387
Problemas 388
CAPÍTULO 8. Exergía 411
8-1 Exergía: potencial de trabajo de la energía 412
Exergía (potencial de trabajo) asociada con la energía cinética y potencial 413
8-2 Trabajo reversible e irreversibilidad 415
8-3 Eficiencia según la segunda ley 420
8-4 Cambio de exergía de un sistema 423
Exergía de una masa fija: exergía sin flujo (o de sistema cerrado) 423
Exergía de una corriente de flujo: exergía de flujo (o corriente) 425
8-5 Transferencia de exergía por calor, trabajo y masa 428
Transferencia de exergía por calor, Q 428
Transferencia de exergía por trabajo, W 430
Transferencia de exergía por masa, m 430
8-6 Principio de disminución de exergía y destrucción de exergía 431
Destrucción de exergía 432
8-7 Balance de exergía: sistemas cerrados 432
8-8 Balance de exergía: volúmenes de control 444
Balance de exergía para sistemas de flujo estacionario 444
Trabajo reversible 445
Eficiencia según la segunda ley para dispositivos de flujo estacionario 445
Tema de interés especial: Aspectos cotidianos de la segunda ley 452
Resumen 456
Referencias y lecturas recomendadas 457
Problemas 458
CAPÍTULO 9. Ciclos de potencia de gas 473
9-1 Consideraciones básicas para el análisis de los ciclos de potencia 474
9-2 El ciclo de Carnot y su valor en ingeniería 476
9-3 Suposiciones de aire estándar 478
9-4 Breve panorama de las máquinas reciprocantes 479
9-5 Ciclo de Otto: el ciclo ideal para las máquinas de encendido por chispa 480
9-6 Ciclo Diésel: el ciclo ideal para las máquinas de encendido por compresión 487
9-7 Ciclos Stirling y Ericsson 491
9-8 Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motores de turbina de gas 495
Desarrollo de las turbinas de gas 497
Desviación de los ciclos reales de turbina de gas en comparación con los idealizados 500
9-9 Ciclo Brayton con regeneración 502
9-10 Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración 504
9-11 Ciclos ideales de propulsión por reacción 508
Modificaciones para motores de turborreactor 512
9-12 Análisis de ciclos de potencia de gas con base en la segunda ley 515
Tema de interés especial: Ahorro de combustible y dinero al manejar con sensatez 518 Resumen 525
Referencias y lecturas recomendadas 526
Problemas* 527
CAPÍTULO 10. Ciclos de potencia de vapor y combinados 543
10-1 El ciclo de vapor de Carnot 544
10-2 Ciclo Rankine: el ciclo ideal para los ciclos de potencia de vapor 545
Análisis de energía del ciclo Rankine ideal 546
10-3 Desviación de los ciclos de potencia de vapor reales respecto de los idealizados 549
10-4 ¿Cómo incrementar la eficiencia del ciclo Rankine? 552
Reducción de la presión del condensador (reducción de T baja,prom) 552
Sobrecalentamiento del vapor a altas temperaturas (incremento de T alta,prom) 553
Incremento de la presión de la caldera (incremento de T alta,prom) 553
10-5 El ciclo Rankine ideal con recalentamiento 556
10-6 El ciclo Rankine ideal regenerativo 560
Calentadores abiertos de agua de alimentación 560
Calentadores cerrados de agua de alimentación 562
10-7 Análisis de ciclos de potencia de vapor con base en la segunda ley 568
10-8 Cogeneración 570
10-9 Ciclos de potencia combinados de gas y vapor 575
Tema de interés especial: Ciclos binarios de vapor 578
Resumen 581
Referencias y lecturas recomendadas 581
Problemas 582
CAPÍTULO 11. Ciclos de refrigeración 599
11-1 Refrigeradores y bombas de calor 600
11-2 El ciclo invertido de Carnot 601
11-3 El ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor 602
11-4 Ciclo real de refrigeración por compresión de vapor 606
11-5 Análisis de la segunda ley del ciclo de refrigeración por compresión de vapor 608
11-6 Selección del refrigerante adecuado 613
11-7 Sistemas de bombas de calor 615
11-8 Sistemas innovadores de refrigeración por compresión de vapor 616
Sistemas de refrigeración en cascada 617
Sistemas de refrigeración por compresión de múltiples etapas 619
Sistemas de refrigeración de propósito múltiple con un solo compresor 621
Licuefacción de gases 622
11-9 Ciclos de refrigeración de gas 623
11-10 Sistemas de refrigeración por absorción 626
Tema de interés especial: Sistemas termoeléctricos de generación de potencia y de refrigeración 630
Resumen 632
Referencias y lecturas recomendadas 633
Problemas 633
CAPÍTULO 12. Relaciones de propiedades termodinámicas 647
12-1 Un poco de matemáticas: derivadas parciales y relaciones asociadas 648
Diferenciales parciales 649
Relaciones de derivadas parciales 650
12-2 Relaciones de Maxwell 652
12-3 La ecuación de Clapeyron 654
12-4 Relaciones generales para du, dh, ds, cv y cp 657
Cambios en la energía interna 657
Cambios de entalpía 658
Cambios de entropía 659
Calores específicos cv y cp 659
12-5 El coeficiente de Joule-Thomson 663
12-6 Las Δh, Δu y Δs de gases reales 665
Cambios en la entalpía de gases reales 665
Cambios de energía interna de gases ideales 666
Cambios de entropía de gases reales 667
Resumen 670
Referencias y lecturas recomendadas 671
Problemas 671
CAPÍTULO 13. Mezcla de gases 677
13-1 Composición de una mezcla de gases: fracciones molares y de masa 678
13-2 Comportamiento P-v-T de mezclas de gases: gases ideales y reales 679
Mezclas de gases ideales 680
Mezclas de gases reales 681
13-3 Propiedades de mezclas de gases: gases ideales y reales 684
Mezclas de gases ideales 685
Mezclas de gases reales 688
Tema de interés especial: Potencial químico y el trabajo de separación de mezclas 692
Resumen 702
Referencias y lecturas recomendadas 703
Problemas 703
CAPÍTULO 14. Mezclas de gas-vapor y acondicionamiento de aire 711
14-1 Aire seco y aire atmosférico 712
14-2 Humedad específica y relativa del aire 713
14-3 Temperatura de punto de rocío 715
14-4 Temperaturas de saturación adiabática y de bulbo húmedo 717
14-5 La carta psicrométrica 720
14-6 Comodidad humana y acondicionamiento de aire 721
14-7 Procesos de acondicionamiento de aire 723
Calentamiento y enfriamiento simples (ω = constante) 724
Calentamiento con humidificación 725
Enfriamiento con deshumidificación 727
Enfriamiento evaporativo 728
Mezclado adiabático de flujos de aire 730
Torres de enfriamiento húmedo 732Resumen 735
Referencias y lecturas recomendadas 736
Problemas 736
CAPÍTULO 15. Reacciones químicas 747
15-1Combustibles y combustión 748
15-2 Procesos de combustión teórica y real 752
15-3 Entalpía de formación y entalpía de combustión 758
15-4 Análisis de sistemas reactivos con base en la primera ley 762
Sistemas de flujo estacionario 762
Sistemas cerrados 763
15-5 Temperatura de flama adiabática 767
15-6 Cambio de entropía de sistemas reactivos 770
15-7 Análisis de sistemas reactivos con base en la segunda ley 771
Tema de interés especial: Celdas de combustible 777
Resumen 778
Referencias y lecturas recomendadas 779
Problemas 780
CAPÍTULO 16. Equilibrio químico y de fase 791
16-1 Criterio para el equilibrio químico 792
16-2 La constante de equilibrio para mezclas de gases ideales 794
16-3 Algunas observaciones respecto a la Kp de las mezclas de gases ideales 798
16-4 Equilibrio químico para reacciones simultáneas 802
16-5 Variación de Kp con la temperatura 804
16-6 Equilibrio de fase 806
Equilibrio de fase para un sistema de un solo componente 806
La regla de fases 807
Equilibrio de fases para un sistema multicomponente 808
Resumen 814
Referencias y lecturas recomendadas 815
Problemas 815
CAPÍTULO 17. Flujo compresible 823
17-1 Propiedades de estancamiento 824
17-2 Velocidad del sonido y número de Mach 827
17-3 Flujo isentrópico unidimensional 829
Variación de la velocidad del fluido con el área de flujo 832
Relaciones de propiedades para el flujo isentrópico de gases ideales 834
17-4 Flujo isentrópico a través de toberas aceleradoras 836
Toberas convergentes 836
Toberas convergentes-divergentes 840
17-5 Ondas de choque y ondas de expansión 844
Choques normales 844
Choques oblicuos 850
Ondas expansivas de Prandtl-Meyer 855
17-6 Flujo en un ducto con transferencia de calor y fricción insignificante (flujo de Rayleigh) 860
Relaciones de propiedades para flujos de Rayleigh 865
Flujo de Rayleigh ahogado 867
17-7 Toberas de vapor de agua 869
Resumen 872
Referencias y lecturas recomendadas 873
Problemas 873
APÉNDICE 1
Tablas de propiedades, figuras y diagramas (unidades SI) 881
TABLA A-1 Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crítico 882
TABLA A-2 Calores específicos de gas ideal de varios gases comunes 883
TABLA A-3 Propiedades de líquidos, sólidos y alimentos comunes 886
TABLA A-4 Agua saturada. Tabla de temperaturas 888
TABLA A-5 Agua saturada. Tabla de presiones 890
TABLA A-6 Vapor de agua sobrecalentado 892
TABLA A-7 Agua líquida comprimida 896
TABLA A-8 Hielo saturado. Vapor de agua 897
FIGURA A-9 Diagrama T-s para el agua 898
FIGURA A-10 Diagrama de Mollier para el agua 899
TABLA A-11 Refrigerante R-134a saturado. Tabla de temperatura 900
TABLA A-12 Refrigerante R-134a saturado. Tabla de presión 902
TABLA A-13 Refrigerante R-134a sobrecalentado 903
FIGURA A-14 Diagrama P-h para el refrigerante R-134a 905
FIGURA A-15 Carta generalizada de compresibilidad de Nelson-Obert 906
TABLA A-16 Propiedades de la atmósfera a gran altitud 907
TABLA A-17 Propiedades de gas ideal del aire 908
TABLA A-18 Propiedades de gas ideal del nitrógeno, N2 910
TABLA A-19 Propiedades de gas ideal del oxígeno, O2 912
TABLA A-20 Propiedades de gas ideal del dióxido de carbono, CO2 914
TABLA A-21 Propiedades de gas ideal del monóxido de carbono, CO 916
TABLA A-22 Propiedades de gas ideal del hidrógeno, H2 918
TABLA A-23 Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 919
TABLA A-24 Propiedades de gas ideal del oxígeno monoatómico, O 921
TABLA A-25 Propiedades de gas ideal del hidroxilo, OH 921
TABLA A-26 Entalpía de formación, función de Gibbs de formación y entropía absoluta a 25°C, 1 atm 922
TABLA A-27 Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 923
TABLA A-28 Logaritmos naturales de la constante de equilibrio Kp 924
FIGURA A-29 Carta generalizada de desviación de entalpía 925
FIGURA A-30 Carta generalizada de desviación de entropía 926
FIGURA A-31 Carta psicrométrica a 1 atm de presión total 927
TABLA A-32 Funciones de flujo compresible unidimensional e isentrópico de un gas ideal con k= 1.4 928
TABLA A-33
Funciones de choque normal unidimensional de un gas ideal con k= 1.4 929
TABLA A-34 Funciones del flujo de Rayleigh para un gas ideal con K= 1.4 930
APÉNDICE 2 Tablas de propiedades, figuras y diagramas (unidades inglesas) 931
TABLA A-1E Masa molar, constante de gas y propiedades del punto crítico 932
TABLA A-2E Calores específicos de gas ideal de varios gases comunes 933
TABLA A-3E Propiedades de líquidos, sólidos y alimentos comunes 936
TABLA A-4E Agua saturada. Tabla de temperaturas 938
TABLA A-5E Agua saturada. Tabla de presiones 940
TABLA A-6E Vapor de agua sobrecalentado 942
TABLA A-7E Agua líquida comprimida 946
TABLA A-8E Hielo saturado. Vapor de agua 947
FIGURA A-9E Diagrama T-s para el agua 948
FIGURA A-10E Diagrama de Mollier para el agua 949
TABLA A-11E Refrigerante R-134a saturado. Tabla de temperatura 950
TABLA A-12E Refrigerante R-134a saturado. Tabla depresión 951
TABLA A-13E Refrigerante R-134a sobrecalentado 952
FIGURA A-14E Diagrama P-h para el refrigerante R-134a 954
TABLA A-16E Propiedades de la atmósfera a gran altitud 955
TABLA A-17E Propiedades de gas ideal del aire 956
TABLA A-18E Propiedades de gas ideal del nitrógeno, N2 958
TABLA A-19E Propiedades de gas ideal del oxígeno, O2 960
TABLA A-20E Propiedades de gas ideal del dióxido de carbono, CO2 962
TABLA A-21E Propiedades de gas ideal del monóxido de carbono, CO 964
TABLA A-22E Propiedades de gas ideal del hidrógeno, H2 966
TABLA A-23E Propiedades de gas ideal del vapor de agua, H2O 967
TABLA A-26E Entalpía de formación, función de Gibbs de formación y entropía absoluta a 77°F, 1 atm 969
TABLA A-27E Propiedades de algunos combustibles e hidrocarburos comunes 970
FIGURA A-31E Gráfica psicrométrica a 1 atm de presión total 971

Contiene problemas al final de cada capítulo. Capítulo 18 (Capítulo en la web) disponible en www.mhhe.com/cengel/termo9e