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:
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).
o sea, la masa de aire húmedo se puede escribir como
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