Transferencia de calor y masa. Fundamentos y aplicaciones Cuarta Edición (Spanish)

945 Pages·2016·15.58 MB·English

by  Yunus A. Çengel

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Factores de conversión
DIMENSIÓN MÉTRICA MÉTRICA/INGLESA
Aceleración 1 m/s2 ⫽ 100 cm/s2 1 m/s2 ⫽ 3.2808 ft/s2
1 ft/s2 ⫽ 0.3048* m/s2
Área 1 m2 ⫽ 104 cm2 ⫽ 106 mm2 1 m2 ⫽ 1 550 in2 ⫽ 10.764 ft2
⫽ 10⫺6 km2 1 ft2 ⫽ 144 in2 ⫽ 0.09290304* m2
Densidad 1 g/cm3 ⫽ 1 kg/L ⫽ 1 000 kg/m3 1 g/cm3 ⫽ 62.428 lbm/ft3 ⫽ 0.036127 lbm/in3
1 lbm/in3 ⫽ 1 728 lbm/ft3
1 kg/m3 ⫽ 0.062428 lbm/ft3
Energía, calor, 1 kJ ⫽ 1 000 J ⫽ 1 000 Nm ⫽ 1 kPa · m3 1 kJ ⫽ 0.94782 Btu
trabajo, energía 1 kJ/kg ⫽ 1 000 m2/s2 1 Btu ⫽ 1.055056 kJ
interna, entalpía 1 kWh ⫽ 3 600 kJ ⫽ 5.40395 psia · ft3 ⫽ 778.169 lbf · ft
1 cal† ⫽ 4.184 J 1 Btu/lbm ⫽ 25 037 ft2/s2 ⫽ 2.326* kJ/kg
1 IT cal† ⫽ 4.1868 J 1 kJ/kg ⫽ 0.430 Btu/lbm
1 Cal† ⫽ 4.1868 kJ 1 kWh ⫽ 3 412.14 Btu
1 therm ⫽ 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
Rapidez de 1 W/cm3 ⫽ 106 W/m3 1 W/m3 ⫽ 0.09665 Btu/h · ft3
generación de calor
Coeficiente de 1 W/m2 · °C ⫽ 1 W/m2 · K 1 W/m2 · °C ⫽ 0.17612 Btu/h · ft2 · °F
transferencia de calor
Longitud 1 m ⫽ 100 cm ⫽ 1 000 mm 1 m ⫽ 39.370 in ⫽ 3.2808 ft ⫽ 1.0926 yd
1 km ⫽ 1 000 m 1 ft ⫽ 12 in ⫽ 0.3048* m
1 milla ⫽ 5 280 ft ⫽ 1.6093 km
1 in ⫽ 2.54* cm
Masa 1 kg ⫽ 1 000 g 1 kg ⫽ 2.2046226 lbm
1 tonelada métrica ⫽ 1 000 kg 1 lbm ⫽ 0.45359237* kg
1 onza ⫽ 28.3495 g
1 slug ⫽ 32.174 lbm ⫽ 14.5939 kg
1 tonelada corta ⫽ 2 000 lbm ⫽ 907.1847 kg
Potencia, rapidez de 1 W ⫽ 1 J/s 1 kW ⫽ 3412.14 Btu/h
transferencia de 1 kW ⫽ 1 000 W ⫽ 1.341 hp ⫽ 737.56 lbf · ft/s
calor
1 hp‡ ⫽ 745.7 W 1 hp ⫽ 550 lbf · ft/s ⫽ 0.7068 Btu/s
⫽ 42.41 Btu/min ⫽ 2 544.5 Btu/h
⫽ 0.74570 kW
1 hp de caldera ⫽ 33 475 Btu/h
1 Btu/h ⫽ 1.055056 kJ/h
1 tonelada de refrigeración ⫽ 200 Btu/min
Presión 1 Pa ⫽ 1 N/m2 1 Pa ⫽ 1.4504 ⫻ 10⫺4 psia
1 kPa ⫽ 103 Pa ⫽ 10⫺3 MPa ⫽ 0.020886 lbf/ft2
1 atm ⫽ 101.325 kPa ⫽ 1.01325 bars 1 psia ⫽ 144 lbf/ft2 ⫽ 6.894757 kPa
⫽ 760 mmHg a 0°C 1 atm ⫽ 14.696 psia ⫽ 29.92 inHg a 30°F
⫽ 1.03323 kgf/cm2 1 inHg ⫽ 3.387 kPa
1 mmHg ⫽ 0.1333 kPa
Calor específico 1 kJ/kg · °C ⫽ 1 kJ/kg · K 1 Btu/lbm · °F ⫽ 4.1868 kJ/kg · °C
⫽ 1 J/g · °C 1 Btu/lbmol · R ⫽ 4.1868 kJ/kmol · K
1 kJ/kg · °C ⫽ 0.23885 Btu/lbm · °F
⫽ 0.23885 Btu/lbm · R
* Factor de conversión exacto entre unidades métricas e inglesas.
† Originalmente, la caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1°C, pero varía con la presión. La caloría
de la tabla internacional de vapor (IT) (preferida en general por los ingenieros) es, por definición, exactamente 4.1868 J y corresponde al calor específico del agua
a 15°C. La caloría termodinámica (generalmente preferida por los físicos) es, por definición, exactamente igual a 4.184 J y corresponde al calor específico del
agua a la temperatura ambiente. La diferencia entre las dos es alrededor del 0.06%, lo cual es despreciable. La Caloría, con letra inicial mayúscula, que usan los
especialistas en nutrición en realidad es una kilocaloría (1 000 calorias IT).
‡ Caballo de potencia mecánico. El caballo de potencia eléctrico se toma exactamente como 746 W.
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DIMENSIÓN MÉTRICA MÉTRICA/INGLESA
Volumen específico 1 m3/kg ⫽ 1 000 L/kg 1 m3/kg ⫽ 16.02 ft3/lbm
⫽ 1 000 cm3/g 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
térmica
Resistencia térmica 1°C/W ⫽ 1 K/W 1 K/W ⫽ 0.52750°F/h · Btu
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 ⫽ 1.609 km/h
Viscosidad dinámica 1 kg/m · s ⫽ 1 N · s/m2 ⫽ 1 Pa · s ⫽ 10 poise 1 kg/m · s ⫽ 2 419.1 lbf/ft · h
⫽ 0.020886 lbf · s/ft2
⫽ 5.8016 ⫻ 10⫺6 lbf · h/ft2
Viscosidad cinemática 1 m2/s ⫽ 104 cm2/s 1 m2/s ⫽ 10.764 ft2/s ⫽ 3.875 ⫻ 104 ft2/h
1 stoke ⫽ 1 cm2/s ⫽ 10⫺4 m2/s 1 m2/s ⫽ 10.764 ft2/s
Volumen 1 m3 ⫽ 1 000 L ⫽ 106 cm3 (cc) 1 m3 ⫽ 6.1024 ⫻ 104 in3 ⫽ 35.315 ft3
⫽ 264.17 gal (E.U.)
1 galón E.U. ⫽ 231 in3 ⫽ 3.7854 L
1 onza fluida ⫽ 29.5735 cm3 ⫽ 0.0295735 L
1 galón E.U. ⫽ 128 onzas fluidas
Algunas constantes físicas
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
⫽ 1 545.35 ft · lbf/lbmol · R
⫽ 10.73 psia · ft3/lbmol · R
Aceleración estándar de la gravedad g ⫽ 9.80665 m/s2
⫽ 32.174 ft/s2
Presión atmosférica estándar 1 atm ⫽ 101.325 kPa
⫽ 1.01325 bar
⫽ 14.696 psia
⫽ 760 mmHg (0°C)
⫽ 29.9213 inHg (32°F)
⫽ 10.3323 mH2O (4°C)
Constante de Stefan-Boltzmann s ⫽ 5.6704 ⫻ 10⫺8 W/m2 · K4
⫽ 0.1714 ⫻ 10⫺8 Btu/h · ft2 · R4
Constante de Boltzmann k ⫽ 1.380650 ⫻ 10⫺23 J/K
Velocidad de la luz en vacío c ⫽ 2.9979 ⫻ 108 m/s
⫽ 9.836 ⫻ 108 ft/s
Velocidad del sonido en aire seco a 0°C y 1 atm C ⫽ 331.36 m/s
⫽ 1 089 ft/s
Calor de fusión del agua a 1 atm hif ⫽ 333.7 kJ/kg
⫽ 143.5 Btu/lbm
Calor de vaporización del agua a 1 atm hfg ⫽ 2 257.1 kJ/kg
⫽ 970.4 Btu/lbm
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Citas sobre Ética
Sin la ética, todo sucede como si cinco mil millones de pasajeros
fueran abordo de una embarcación sin conductor. Cada vez más
de prisa, pero no sabemos hacia adónde.
—Jacques Cousteau
Que tenga el derecho o la posibilidad de hacerlo, no significa
que sea correcto hacerlo.
—Laura Schlessinger
Un hombre sin ética es una bestia salvaje deambulando
por este mundo.
—Manly Hall
La preocupación por el hombre y su destino deben ser siempre
el principal interés de cualquier esfuerzo técnico. Nunca lo olvide
entre sus diagramas y ecuaciones.
—Albert Einstein
La cobardía pregunta ‘¿Es seguro?’.
La conveniencia pregunta ‘¿Es políticamente aceptable?’
La vanidad pregunta ‘¿Es popular?’.
Pero la conciencia pregunta ‘¿Es lo correcto?’
Y entonces llega el momento en que una persona debe asumir una
postura que no es segura, ni políticamente aceptable ni popular, pero
que es su deber asumirla pues su conciencia le dice
que es lo correcto.
—Martin Luther King, Jr.
Educar mental y no moralmente a un hombre es crear un peligro
para la sociedad.
—Theodore Rooselvelt
La política que gira alrededor del beneficio es salvajismo.
—Said Nursi
La verdadera prueba de la civilización no es el censo
ni el tamaño de las ciudades ni de los cultivos, sino el tipo de
hombre que el país produce.
—Ralph W. Emerson
El verdadero carácter de un hombre se puede apreciar
en qué haría si supiera que nadie nunca lo sabría.
—Thomas B. Macaulay
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FUNDAMENTOS Y APLICACIONES
Cuarta edición
YUNUS A. ÇENGEL
University of Nevada, Reno
AFSHIN J. GHAJAR
Oklahoma State University, Stillwater
Revisión técnica
Rosario Dávalos Gutiérrez
Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas,
Instituto Politécnico Nacional, México
Juan José Coble Castro
Universidad Antonio de Nebrija,
Madrid, España
Sofía Faddeeva Sknarina
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey,
Campus Estado de México
Álvaro Ochoa López
Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente
MÉXICO • BOGOTÁ • BUENOS AIRES • CARACAS • GUATEMALA • MADRID
NUEVA YORK • SAN JUAN • SANTIAGO • SÃO PAULO • AUCKLAND • LONDRES • MILÁN
MONTREAL • NUEVA DELHI • SAN FRANCISCO • SINGAPUR • ST. LOUIS • SIDNEY • TORONTO
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Director Higher Education: Miguel Ángel Toledo Castellanos
Editor sponsor: Pablo E. Roig
Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martínez
Editora de desarrollo: Ana L. Delgado Rodríguez
Supervisor de producción: Zeferino García García
Traducción: Erika Jasso Hernán D’Borneville
TRANSFERENCIA DE CALOR Y MASA. Fundamentos y aplicaciones
Cuarta edición
Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra,
por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.
Educación
DERECHOS RESERVADOS © 2011, 2007, 2004 respecto a la tercera edición en español por
McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.
A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.
Edificio Punta Santa Fe
Prolongación Paseo de la Reforma 1015, Torre A
Piso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,
Delegación Álvaro Obregón
C.P. 01376, México, D.F.
Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Núm. 736
ISBN: 978-607-15-0540-8
ISBN edición anterior: 978-970-10-6173-2
Traducido de la cuarta edición de Heat and Mass Transfer by Yunus A. Çengel and Afshin J. Ghajar.
Copyright © 2011 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.
ISBN: 978-0-07-339812-9
1098765432 1098765432101
Impreso en México Printed in Mexico
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A C E R C A D E L O S A U T O R E S
Yunus A. Çengel es profesor de Ingeniería Mecánica en la Universidad de
Nevada en Reno. Recibió su grado de doctor en Ingeniería Mecánica en la Uni-
versidad Estatal de Carolina del Norte en 1984. Sus áreas de investigación son
la energía renovable, la desalinización, el análisis de la energía, el mejo-
ramiento de la transferencia de calor, la transferencia de calor por radiación y
la conservación de la energía. Ha fungido como director del Industrial Assess-
ment Center (IAC) en la Universidad de Nevada en Reno, de 1996 a 2000. Ha
conducido equipos de estudiantes de ingeniería a numerosas instalaciones in-
dustriales en el norte de Nevada y California, para efectuar evaluaciones indus-
triales y ha preparado informes sobre conservación de la energía, minimización
de los desechos y mejoramiento de la productividad para ellas.
El doctor Çengel es coautor de libros de texto ampliamente aceptados,
como: Termodinámica: una aproximación a la ingeniería (2002), ahora en su
cuarta edición, y Fundamentos de ciencias de termofluidos (2001), los dos
publicados por McGraw-Hill. También es autor del libro de texto Introduction
to Thermodynamics and Heat Transfer (1997) publicado por McGraw-Hill.
Algunos de sus libros de texto han sido traducidos al chino, japonés, coreano,
español, turco, italiano y griego.
Ha recibido varios premios sobresalientes en el ámbito de la enseñanza
como el premio ASEE Meriam/Wiley como autor distinguido en 1992 y, una
vez más, en 2000.
Es ingeniero profesional registrado en el estado de Nevada y miembro de la
Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME, por sus siglas en
inglés) y la Sociedad Estadounidense para la Educación en Ingeniería (ASEE,
por sus siglas en inglés).
Afshin J. Ghajar es profesor distinguido con el nombramiento de Regents
Professor y director de estudios de posgrado en la Escuela de Mecánica e In-
geniería Aeroespacial en la Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma,
y profesor honorario en la Xi’an Jiaotong University, Xi’an, China. Obtuvo su
licenciatura, maestría y doctorado en ingeniería mecánica por la Oklahoma
State University. Se ha especializado en transferencia de calor y mecánica de
fluidos en las áreas experimental y computacional. Ha realizado importantes
aportaciones al campo de las ciencias térmicas a través de sus trabajos experi-
mentales, empíricos y numéricos sobre transferencia de calor y estratificación
en sistemas de almacenamiento sensible, transferencia térmica a fluidos no
newtonianos, transferencia de calor en la región de transición y transferencia
de calor no hirviente en flujos bifásicos. Su investigación se ha centrado, ac-
tualmente, en la transferencia de calor en los flujos bifásicos, la administración
térmica de mini y microsistemas y la transferencia de calor por convección
mixta y la caída de presión en la región de transición. Ha participado como in-
vestigador asociado de verano en el Wright Patterson AFB (Dayton, Ohio) y en
Dow Chemical Company (Freeport, Texas). Ha publicado con sus colaborado-
res más de 150 trabajos de investigación. Tiene en su haber varios discursos
inaugurales y conferencias en importantes conferencias e instituciones técni-
cas. Ha recibido múltiples premios por su labor magisterial, científica y consul-
tiva del College of Engineering at Oklahoma State University. El doctor Ghajar
pertenece a la American Society of Mechanical Engineers (ASME), es editor
para CRS Press/Taylor & Francis y editor en jefe de Heat Transfer Enginee-
ring, una revista internacional orientada a los ingenieros y especialistas en
transferencia de calor publicada por Taylor y Francis.
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