Propiedades del Aire Atmosférico

En aquellos procesos que utilizan aire atmosférico como fluido de trabajo, es necesario determinar las propiedades termodinámicas de éste, a modo de definir su estado y con ello garantizar que el proceso desarrollado por el fluido de trabajo se realice en forma correcta y satisfactoria.

A continuación se presentan las principales propiedades del aire atmosférico que se deben tener en consideración al trabajar con éste como fluido de trabajo.

1.2.1.1. Humedad Atmosférica

La humedad atmosférica corresponde a la cantidad de vapor de agua existente en el aire atmosférico. Esta depende directamente de la temperatura, razón por la cual el aire caliente admite más vapor de agua que el aire frío.

Existen diversas formas para determinar la humedad del aire atmosférico, siendo las más utilizadas las que se detallan a continuación:

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 Humedad absoluta o específica (ω): corresponde a la masa de vapor de agua presente en una unidad de masa de aire seco. Se conoce también como la relación de humedad y se representa por medio de ω:

= = 0,622

− ( . 1.21)

 Humedad relativa (ϕ): corresponde a la cantidad de vapor de agua contenida en el aire con respecto a la cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede contener a la misma temperatura. Se expresa en porcentaje.

= = ⁄

⁄ = ( . 1.22)

Donde = _@

La humedad relativa se encuentra basada en la humedad absoluta bajo condiciones establecidas y permite conocer si el aire se encuentra saturado por humedad, es decir, si el aire ya no puede contener más vapor de agua. Cualquier humedad agregada al aire saturado se condensará.

Si se combinan las ecuaciones (ec.1.21) y (ec.1.22), es posible expresar la humedad relativa y la humedad absoluta como:

=

(0,622 + ) ( . 1.23)

= 0,622

21 La humedad relativa varía de 0 para aire seco a 1 para aire saturado. Se debe prestar atención a que la cantidad de humedad que el aire puede contener depende de su temperatura. Por lo tanto, la humedad relativa del aire cambia con la temperatura aunque su humedad absoluta permanezca constante. [4]

1.2.1.2. Temperatura

La temperatura puede ser medida de dos maneras, como temperatura de bulbo seco o temperatura de bulbo húmedo.

 Temperatura de bulbo seco: corresponde a la temperatura normal del aire atmosférico, medida por un termómetro convencional de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco. Mide la temperatura del aire sin considerar factores ambientales como la humedad o el movimiento del aire los cuales pueden afectar significativamente la sensación térmica.

 Temperatura de bulbo húmedo: corresponde a la temperatura medida por un termómetro de mercurio convencional cuyo bulbo se encuentra cubierto por una mecha de algodón saturada con agua. Cuando se proporciona una corriente de aire, el agua se evapora en función del porcentaje de humedad relativa del ambiente, enfriándose más cuanto menor sea ésta debido al calor latente de evaporación del agua. Considera factores como la humedad ambiental y su correspondiente potencial de evaporación.

1.2.1.3. Punto de Rocío

La temperatura de punto de rocío corresponde a la temperatura a la que se inicia la condensación si el aire se enfría a presión constante. En otras palabras, la temperatura de rocío es la temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de vapor. A mayor presión, el valor de la temperatura de rocío aumenta.

22 Durante este proceso la humedad específica permanece constante mientras que la humedad relativa aumenta. La humedad relativa de una muestra de aire puede determinarse por su punto de rocío.

= _@ ( . 1.25)

1.2.1.4. Entalpia

La entalpia corresponde a la cantidad de energía que el sistema intercambia con su entorno. La variación de ésta expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.

Debido a que el aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua, la entalpia del aire se expresa en términos de las entalpias del aire seco y del vapor de agua. En la mayor parte de las aplicaciones prácticas, la cantidad de aire seco en la mezcla de aire-vapor de agua permanece constante, pero la cantidad de vapor de agua varía. Por esta razón, la entalpía del aire atmosférico se expresa por unidad de masa de aire seco. [4]

En el intervalo de temperatura entre -10°C y 50°C, el aire seco puede tratarse como un gas ideal con un valor Cp constante de 1,005 [kJ/kg K], con un error menor al 0,2%. Si se toma como temperatura de referencia los 0°C, la entalpía y el cambio de entalpía del aire seco puede determinarse a partir de:

ℎ = = 1,005

° ( . 1.26)

∆ℎ = ∆ = 1,005

23 Debido a que el vapor de agua puede ser considerado como un gas ideal, la entalpía del vapor de agua es una función exclusiva de la temperatura, es decir, hv = hv(T). La entalpía del vapor de agua en el aire puede tomarse igual a la entalpía del vapor saturado a la misma temperatura, en el intervalo de temperatura entre -10°C y 50°C, con un error menor al 0,2%.

ℎ , ≅ ℎ ( ) ≅ 2500,9 + 1,82 ( . 1.28)

Finalmente, la entalpía total del aire atmosférico corresponde a la suma de las entalpías del aire seco y del vapor de agua:

= + = ℎ + ℎ ( . 1.29)

Si se divide por ma se tiene que:

ℎ = ℎ + ℎ ( . 1.30)

puesto que hv≅ hg.

1.2.1.5. Presión

La presión atmosférica corresponde a la fuerza por unidad de superficie que ejerce una determinada masa de aire sobre la superficie terrestre. Comúnmente se expresa en milímetros de mercurio (mmHg) y para su medición se utiliza un instrumento denominado barómetro.

La presión no es un valor constante y uno de los factores más influyentes en la variación de la presión corresponde a la altura. Por cada 10 metros de elevación vertical, la presión atmosférica disminuye en 1 [mmHg]. La presión también puede variar en función de la latitud, obteniéndose menores presiones mientras más cerca de latitudes ecuatoriales se encuentre el punto de medición.

Muchas veces la presión se mide por sobre la presión atmosférica, la cual se denomina presión absoluta y corresponde a la suma de la presión atmosférica y la presión manométrica.

24 Debido a que el aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua, y a que la composición del aire seco permanece relativamente constante, es conveniente tratar al vapor de agua en el aire como un gas ideal. A 50 [°C] la presión de saturación del agua es de 12,3 [kPa], por debajo de este valor el vapor de agua puede ser tratado como un gas ideal con un error menor a 0,2%, incluso cuando es un vapor saturado. Por lo tanto, el vapor de agua en el aire se comporta como si existiese solo y obedece la relación de los gases ideales.

Por lo tanto, la presión del aire atmosférico corresponde a la suma de la presión parcial del aire seco Pa y la del vapor de agua Pv:

= + [ ] ( . 1.31)

A la presión parcial del vapor de agua se le conoce como presión de vapor y corresponde a la presión que el vapor de agua ejercería si existiera solo a la temperatura y volumen del aire atmosférico. [4]

1.2.1.6. Densidad

La densidad es una magnitud escalar que representa la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. Debido a que la densidad de cierta cantidad de masa no siempre es exactamente igual a la densidad de cada una de sus partículas, se entiende el concepto de densidad como densidad media de materia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que este ocupa.

= ( . 1.32)

1.2.1.7. Volumen Específico

El volumen específico corresponde al volumen ocupado por unidad de masa de una sustancia. Es el inverso de la densidad.

25 1.2.1.8. Psicometría

La psicometría es el estudio de las propiedades termodinámicas del aire húmedo y el uso de estas propiedades para analizar condiciones y procesos que involucran aire húmedo.

Las propiedades del aire atmosférico, mezcla de aire seco y vapor de agua, pueden ser representadas en forma gráfica por medio de las cartas psicométricas, las cuales poseen las mismas propiedades del diagrama de Mollier, por lo cual es posible trabajar de manera equivalente con este tipo de gráficos.

La carta psicométrica es un diagrama de doble entrada, en el que se relacionan múltiples parámetros referentes a una mezcla de aire húmedo: temperatura, humedad relativa, humedad absoluta, punto de rocío, entalpía específica o calor total, calor sensible, calor latente y volumen específico del aire.