lunes, 23 de febrero de 2015

Termodinámica de la mezcla Aire - Vapor de agua.

El aire es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y pequeñas cantidades de otros gases. Normalmente, el aire en la atmósfera contiene cierta cantidad de vapor de agua (o humedad) y se conoce como aire atmosférico. En contraste, el aire que no contiene vapor de agua se denomina aire seco. Es conveniente tratar al aire como una mezcla de vapor de agua y aire seco, porque la composición del aire seco permanece relativamente constante, pero la cantidad de vapor de agua varía por la condensación y evaporación de los océanos, lagos, ríos, regaderas e incluso del agua del cuerpo humano. A pesar de que la cantidad de vapor de agua en el aire es pequeña, desempeña un importante papel en la comodidad cotidiana del ser humano. En consecuencia, es importante tomarlo en cuenta en los dispositivos de acondicionamiento de aire. 

Aire húmedo:
El aire húmedo se refiere a una mezcla de aire seco y vapor de agua en la cual el aire seco se trata como si fuera un componente puro. Mediante un análisis de sus propiedades, la mezcla global y cada uno de sus componentes se comporta como un gas ideal en las condiciones que se van a considerar, consecuentemente se aplican los conceptos desarrollados previamente para mezclas de gases ideales.









               




Humedad absoluta (W):
Sustituyendo Pa = P - Pv  y teniendo en cuenta que la relación entre las masas moleculares del agua y del aire seco vale aproximadamente 0.622:

Expresión solo válida en el caso de que la mezcla sea homogénea, o sea que toda el agua contenida sea vapor.

La humedad absoluta se refiere al peso del vapor de agua por unidad de volumen. Esta unidad de volumen, generalmente es un espacio de un metro cúbico (o un pie cúbico). En este espacio, normalmente hay aire también, aunque no necesariamente. La humedad relativa está basada en la humedad absoluta, bajo las condiciones establecidas; es decir, la humedad relativa es una comparación con la humedad absoluta a la misma temperatura, si el vapor de agua está saturado. Tanto la humedad absoluta, como la relativa, están basadas en el peso del vapor de agua en un volumen dado. 
En consecuencia, para una determinada presión total, para cada T habrá un cierto estado del aire húmedo en que el vapor contenido es vapor saturado y en esas condiciones se dice que el aire está saturado de humedad. La humedad absoluta de saturación estará dada por:
Fijada la presión total, para cada T corresponderá un valor de Pv,sat  y por lo tanto una humedad absoluta de saturación Xsat.

Este valor es la máxima cantidad de vapor de agua que puede estar mezclada con la unidad de masa de aire seco. Fijada la presión total, por ejemplo la presión atmosférica normal 760 mmHg, puede construirse un diagrama en el que se grafique Xsat = f(T).
Humedad relativa (ⱷ):

La relación entre la cantidad de humedad que el aire contiene en un determinado estado (x) y la máxima cantidad de humedad que el aire puede contener a la misma temperatura T, esto es Xsat, se conoce como humedad relativa:
Algunos autores definen humedad relativa como la relación entre la presión parcial de vapor en un aire húmedo y la presión de vapor saturado a la misma temperatura:


Temperatura de punto de rocío (Tpr):
Si se considera una masa de aire húmedo no saturada de humedad, el vapor contenido será un vapor sobrecalentado y su estado estará representado en el diagrama entrópico de vapor de agua por un punto tal. Si enfriamos la masa de aire húmedo manteniendo constante la presión total y el contenido de humedad, la presión parcial del vapor de agua también se mantendrá constante, el vapor se irá enfriando y llegará un momento en que habrá dejado de ser vapor sobrecalentado y se habrá transformado en saturado. Si seguimos quitándole calor al aire húmedo se producirá condensación de vapor y al líquido asé generado es a lo que se denomina rocío. A la temperatura correspondiente se la denomina temperatura de rocío o punto de rocío. Es evidente que la temperatura de rocío no es otra cosa que la temperatura de saturación, o sea de equilibrio líquido-vapor, correspondiente a la presión parcial de vapor en el aire húmedo.

Entalpía del aire húmedo:
Los valores de U, H y S del aire húmedo se pueden obtener sumando la contribución de cada componente en las condiciones existentes en la mezcla.






Las entalpías del aire seco y del vapor se determinan a la temperatura de la mezcla. Si se consultan las tablas de vapor de agua o del diagrama de Mollier para el agua se comprueba que la entalpía del vapor de agua sobrecalentado a bajas presiones de vapor está muy próxima a la del vapor saturado a la temperatura que se encuentra la mezcla. Por lo tanto, la entalpía del vapor de agua hv en la que se puede tomar como hv, sat a la temperatura dada.

o bien mediante la ec.
La entalpía de aire seco  ha, se puede obtener de la ecuación de gas ideal, ya que el aire es gas
en todos los estados considerados. Tomando como estado de referencia para el aire 0º C y 1 atm
(href = 0):
Para trazar líneas de entalpía constante sobre el diagrama psicrométrico, observar que la ec.


es una función h = h(T,x). Si h = cte, dh = 0. Por lo tanto, derivando la ecuación e igualando a
cero se encuentra que las evoluciones a h = cte son rectas de pendiente negativa como se indica en
la Fig. siguiente:
Volumen específico del aire húmedo:
Teniendo en cuenta que estamos considerando al aire húmedo como una mezcla de gases ideales, el volumen de la mezcla por unidad de masa de aire seco será:

a partir de esta ec., para una presión total fija, se pueden graficar evoluciones a  v = cte, resultando
ser rectas como se muestra en el diagrama anterior. Observar que v = v(T,x).



Relación entre masas:
o sea, la masa de aire húmedo se puede escribir como


Resolución de un problema práctico de humedad relativa y humedad específica.

 


 
 


 

 

 

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