La transferencia de calor y de masa

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  106 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 104 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  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 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 Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page i

FUNDAMENTOS L a transferencia de calor y de masa es una ciencia básica que trata de la rapidez de transferencia de energía térmica. Tiene una amplia área de aplicación que va desde los sistemas biológicos hasta los aparatos domésticos comunes, pasando por los edificios residenciales y comerciales, los procesos industriales, los aparatos electrónicos y el procesamiento de alimentos. Para este curso, se parte de la idea que los estudiantes tienen bases adecuadas en cálculo y física. Igualmente, resulta conveniente completar los primeros cursos en termodinámica, mecánica de fluidos y ecuaciones diferenciales antes de abordar el estudio de la transferencia de calor. Sin embargo, los conceptos pertinentes que pertenecen a estos temas son presentados y revisados según se va necesitando. OBJETIVOS Este libro está dirigido a los estudiantes de ingeniería de licenciatura, en su segundo o tercer año, y a ingenieros en ejercicio de su profesión, como libro de consulta. Los objetivos de este texto son: • Cubrir los principios básicos de la transferencia de calor. • Presentar una gran cantidad de ejemplos de ingeniería del mundo real para dar a los estudiantes un sentido acerca de cómo se aplica la transferencia de calor en la práctica de la ingeniería. • Desarrollar una comprensión intuitiva de la transferencia de calor, al resaltar la física y los argumentos físicos. Esperamos que este libro, a través de sus cuidadosas explicaciones de los conceptos y del uso de numerosos ejemplos prácticos y figuras, ayude a los estudiantes a desarrollar las habilidades necesarias para tender un puente entre la brecha del conocimiento y la confianza para su apropiada aplicación. En la práctica de la ingeniería, cada vez está cobrando más importancia contar con cierta comprensión de los mecanismos de la transferencia de calor, ya que ésta desempeña un papel crítico en el diseño de vehículos, plantas generadoras de energía eléctrica, refrigeradores, aparatos electrónicos, edificios y puentes, entre otras cosas. Incluso un chef necesita tener una comprensión intuitiva del mecanismo de la transferencia de calor para cocinar los alimentos “de manera correcta”, ajustando la rapidez con que se da esa transferencia. Puede ser que no estemos conscientes de ello, pero aplicamos los principios de la transferencia de calor cuando buscamos la comodidad térmica. Aislamos nuestros cuerpos al cubrirlos con gruesos abrigos en invierno y minimizamos la ganancia de calor por radiación al permanecer en lugares sombreados durante el verano. Aceleramos el enfriamiento de los alimentos calientes al soplar sobre ellos y nos mantenemos calientes en el tiempo frío al abrazarnos y, de este modo, minimizar el área superficial expuesta. Es decir, aplicamos cotidianamente la transferencia de calor, nos demos o no cuenta de ello. ENFOQUE GENERAL Este trabajo es el resultado de un intento por tener un libro de texto para un curso sobre transferencia de calor con orientación práctica, dirigido a los estudiantes de ingeniería. En el texto se cubren los temas estándar de la transCAPÍTULO 4 xv P REFACIO xv Cengel-Prel 1/4/07 3:23 PM Page xv ferencia de calor, resaltando las aplicaciones de la física y del mundo real. Este enfoque está más alineado con la intuición de los estudiantes y hace que se disfrute más el aprendizaje de la materia. La filosofía que contribuyó a la sorprendente popularidad de las ediciones anteriores de este libro ha permanecido inalterada en esta edición. A saber, nuestra meta ha sido ofrecer un libro de texto para ingeniería que: • Se comunique directamente con las mentes de los ingenieros del mañana de una manera sencilla y, no obstante, precisa. • Conduzca a los estudiantes hacia una comprensión clara y una captación firme de los principios básicos de la transferencia de calor. • Aliente el pensamiento creativo y desarrolle una comprensión más profunda y una sensación intuitiva de la transferencia de calor. • Sea leído por los estudiantes con interés y entusiasmo, en lugar de que se use como una ayuda para resolver problemas. Se ha hecho un esfuerzo especial a fin de recurrir a la curiosidad natural de los estudiantes y para ayudarles a examinar las diversas facetas de la excitante área de contenido de la transferencia de calor. La entusiasta respuesta que recibimos de los usuarios de las ediciones anteriores —desde las pequeñas hasta las grandes universidades en todo el mundo— indica que nuestros objetivos se han alcanzado en gran medida. Nuestra filosofía se basa en que la mejor manera de aprender es a través de la práctica. Por lo tanto, a lo largo de todo el libro se ha realizado un esfuerzo especial para reforzar el material que se presentó con anterioridad. Los ingenieros de ayer consumieron gran parte de su tiempo sustituyendo valores en las fórmulas y obteniendo los resultados numéricos. Sin embargo, en la actualidad, las manipulaciones de las fórmulas y la trituración de los números se están dejando a las computadoras. El ingeniero de mañana tendrá que contar con una clara comprensión y una firme captación de los principios básicos, de modo que pueda entender incluso los problemas más complejos, formularlos e interpretar los resultados. Se hace un esfuerzo consciente para resaltar estos principios básicos, dando al mismo tiempo a los estudiantes una perspectiva acerca de cómo usar las herramientas en la práctica de la ingeniería.

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