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Capítulo 1
Psicrometría
1.1 Composición del aire
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea la Tierra, cuya composición y estado
ha hecho posible el desarrollo de la vida. Se trata de una mezcla de gases, llamada
aire, constituida principalmente por nitrógeno y oxígeno, en la que pueden encontrar‐
se ciertas partículas en suspensión (pequeñas gotas de agua, polvo, sustancias
contaminantes, etc.). La densidad, temperatura y composición no son constantes a lo
largo de su anchura, que puede estimarse en algo más de cien kilómetros, aunque los
más importantes son los primeros veinte.
Los gases componentes de la atmósfera se pueden agrupar en dos categorías:
a) Los que tienen una concentración invariable en las capas bajas de la atmósfera.
Los más importantes son el nitrógeno, el oxígeno, el argón, el neón, el helio y el
hidrógeno, con bastante predominio de los dos primeros. Los cuatro restantes
apenas representan el 1% del total.
b) Aquellos cuya concentración es variable, como el vapor de agua, el dióxido de
carbono y el ozono, aunque la importancia de este último es más significativa en
la parte alta de la atmósfera.
Aunque el oxígeno es indispensable para la vida, puesto que interviene en el mecanis‐
mo de la respiración de los seres vivos, tanto animales como vegetales. Sin embargo,
desde el punto de vista del aire acondicionado, quizás el componente más impor‐
tante es el agua. Tiene la propiedad de realizar cambios de estado según sea la tem‐
peratura del aire; la podemos encontrar en estado líquido, sólido y gaseoso.
Cuando el agua cambia de fase se pone en juego una cantidad enorme de energía, lla‐
mada calor latente de vaporización si el agua líquida pasa a vapor o de condensación si el
vapor pasa a líquido.
Desde un punto de vista práctico podemos considerar el aire húmedo atmosférico
como una mezcla de dos gases, el aire seco y el vapor de agua. El primero de compo‐
sición constante, y el segundo de concentración variable. En la tabla 1 se indica el con‐
tenido, en volumen, de los componentes del aire, sin contar el vapor de agua.
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Tabla 1 - Composición del aire en volumen
Gas
Contenido
Nitrógeno
78,09
Argón
0,93
Oxígeno
Dióxido de carbono
20,95
0,03
A veces el aire húmedo tiene agua líquida en suspensión e incluso hielo. Existen tam‐
bién partículas sólidas en suspensión: gránulos de carbón, de sal, de arena, de polen.
Estas partículas en suspensión tienen más importancia de la que parece, puesto que
son el origen de las gotas de agua que se forman cuando el vapor de agua condensa.
1.2 Radiación solar
El sol emite radiación como si se tratase de un cuerpo negro a 5.762 K, debido a que
se produce una reacción termonuclear de fusión; la energía emitida se propaga en
todas direcciones del espacio a la velocidad de 300.000 km/s y está constituida por
radiación electromagnética de diversa longitud de onda.
Supongamos que, a la distancia media entre el Sol y la Tierra, colocamos una superfi‐
cie de 1 m2, de forma que intercepte perpendicularmente los rayos solares. La energía
recibida por esta superficie se llama constante solar y su valor es de 1.353 W/m2. Es evi‐
dente que a la Tierra llega menos cantidad de energía que la citada, debido a la ate‐
nuación y absorción que se produce en la atmósfera.
Es importante matizar algunos términos relacionados con la radiación solar.
Radiación directa. Es la que llega procedente directamente del Sol.
Radiación difusa. La que llega desde el cielo en todas direcciones, excepto la directa del
Sol.
Radiación global. La suma de las dos anteriores.
Irradiancia. Es la energía radiante recibida por unidad de tiempo sobre una unidad de
área. Se expresa en W/m2. Es un valor que varía a lo largo del tiempo. Suele darse
en media horaria. El instrumento para medirla se llama piranómetro.
Irradiación. Es la energía radiante recibida durante un cierto intervalo de tiempo sobre
una unidad de área. Se expresa en J/m2.
Insolación. Es el intervalo de tiempo durante el cual el Sol está despejado. Se expresa
en horas. El instrumento de medida se llama heliógrafo. El heliógrafo más corriente
es el de Campbell‐Stokes, denominado de bola, que consiste en una lente situada
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Psicrometría
de manera que, cuando luce el Sol, su imagen quema una banda de papel situada
convenientemente en la que están rotuladas las horas.
Para saber la energía que realmente llega sobre una determinada superficie o placa, es
necesario conocer la situación [1] del sol; para ello debe conocerse la latitud del lugar,
el día y la hora solar. La hora solar es el tiempo en horas, antes o después del medio‐
día, siendo el mediodía el instante en el que el sol ocupa la posición más alta en el
cielo. Existen tablas de radiación para obtener los datos correspondientes a una deter‐
minada localidad [2] y programas [3] para hacer el cálculo de instalaciones solares.
1.3 La capa de ozono
A raíz de su parcial destrucción por causa de algunos agentes frigoríficos, se ha
hecho muy popular generando mucha controversia e incluso movilización de la opi‐
nión pública. No es propiamente una capa, sino una zona de la parte alta de la at‐
mósfera, donde se encuentra en una cierta concentración. Su principal función es
detener la radiación ultravioleta procedente del Sol que, de llegar a la superficie de
la Tierra, podría producir mutaciones en las especies y tener efectos potencialmente
cancerígenos sobre los animales, incluido el hombre. En 1979 se puso de manifiesto
que algunos refrigerantes del tipo de los derivados halogenados que contienen cloro
o bromo en su molécula, al ser liberados de los equipos que los contienen, se difun‐
den por la atmósfera y, al llegar a la capa de ozono, la destruyen en una reacción en
cadena de efectos muy contundentes. Por este hecho, la comunidad internacional ha
establecido una serie de normas y protocolos para prohibir la fabricación y utiliza‐
ción de estos productos de forma paulatina. Paralelamente, los técnicos y científicos
relacionados con el mundo de la refrigeración se han encontrado con el reto de bus‐
car unos sustitutos a corto plazo de los refrigerantes que ya han sido prohibidos, y
de los que lo serán de aquí a unos años. Los refrigerantes de sustitución inmediata se
llaman “drop in”; no necesitan grandes cambios en la instalación.
1.4 El efecto invernadero
Algunos gases [4], como el CO2, tienen la propiedad de impedir la salida de la radia‐
ción térmica de mayor longitud de onda procedente de la superficie de la Tierra, con
el efecto de provocar un calentamiento de la atmósfera y del agua del mar. Este fenó‐
meno, del que ya no quedan dudas, provocará un cambio climático de efectos de‐
vastadores en buena parte de la superficie terrestre; por ejemplo, en España tendría‐
mos el clima actual del norte de África. Hay algunos refrigerantes que no son nocivos
para la capa de ozono, pero sí que lo son para el efecto invernadero; por este motivo
el tema de la refrigeración que parecía técnicamente cerrado ha entrado de nuevo en
efervescencia.
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1.5 El aire técnico
El aire técnico es una simplificación del aire atmosférico, consistente en suponer que
sólo está formado por aire seco y vapor de agua; una masa m de aire húmedo, será la
suma de la parte de aire seco, ma y de la de vapor de agua, mw:
m = ma + mw
(1)
El aire seco se considera de composición constante: 79% de N2 y 21% de O2, con una
masa molecular de 28,96 kg/kmol.
1.6 Ecuación de estado de un gas ideal
Un gas es un fluido que se caracteriza por la poca cohesión que existe entre sus molé‐
culas, motivo por el cual debe estar contenido en un recipiente. El gas ejerce una pre‐
sión sobre las paredes del recipiente cuyo volumen es V, estando (el gas) a la tempe‐
ratura T (en grados Kelvin). Estas variables se relacionan mediante la llamada ecua‐
ción de estado, que generalmente es una ecuación larga y compleja. Sin embargo, en
muchas ocasiones puede utilizarse una forma mucho más sencilla que se denomina
ecuación de estado del gas ideal.
Para ello deben cumplirse ciertos requisitos:
Una presión baja.
Que el gas sea lo más inerte posible.
Que estemos lejos de las condiciones de condensación (paso de gas a líquido).
Cuando estas condiciones se cumplen podemos aplicar la sencilla ecuación:
pV = mRɂT
(2)
Rɂ = R/M
(3)
donde: p es la presión en Pa, V es el volumen del recipiente en m3, m es la masa en kg,
T es la temperatura absoluta en grados Kelvin; recordemos que T = t + 273,15, siendo
t la temperatura en ºC, Rɂ es una constante que depende de cada gas:
siendo R la constante universal de los gases (R = 8.314 J/(kmolK) y M la masa molecu‐
lar del gas en kg/kmol.
Teniendo presente que la densidad, ρ, es m3/V, es fácil obtener:
ρ = p/RɂT
(4)
Ejemplo 1.1
Un masa de 35 g de aire seco (Ma = 28,96 kg/kmol) a 35 ºC y 101,325 kPa, ¿qué volu‐
men ocupa?
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m = 35 g = 0,035 kg, p = 101,325 kPa = 101.325 Pa, T = 35 + 273,15 = 308,15 K
Rɂ = R/Ma = 8.314/28,96 = 287,1 J/(kgK)
Aplicaremos la ecuación (2) de la que despejaremos el volumen:
V = mRɂT/p = 0,035 × 287,1 × 308,15/ 101.325 = 0,03056 m3
Ejemplo 1.2
Calcular la densidad del aire seco a la temperatura de 20 ºC con una presión atmosfé‐
rica estándar de 101,325 kPa.
p = 101,325 kPa = 101.325 Pa , T = 273,15 + 20 = 293,15 K
Aplicando la ecuación (4):
p
101.325
ρ = ‐‐‐‐‐‐‐‐ = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ = 1,2039 kg/m3
RɂT
287,1 x 293,15
1.7 Ecuaciones de estado del aire húmedo
Supongamos que podemos separar el aire seco y el vapor de agua, colocándolos en
recipientes idénticos al anterior, del mismo volumen y a la misma temperatura (ver
figura 1). Lo que no será igual será la presión, puesto que en cada recipiente, ahora,
tendremos menos masa de gas. La presión indicada en el recipiente del aire seco la lla‐
maremos presión parcial del aire seco (pa) y la indicada en el del vapor de agua la lla‐
maremos presión parcial del vapor de agua (pw).
Debe cumplirse (ley de Dalton) que la suma de presiones parciales sea igual a la pre‐
sión total que teníamos en el primer recipiente:
p = pa + p w
(5)
pa V = ma Rɂa T
(6)
Para el aire seco podemos aplicar la ecuación de estado:
Donde Rɂa es la constante específica del aire seco que vale Rɂa = 287,1 J/(kg K).
Para el vapor de agua, podemos aplicar la ecuación de estado:
pw V = mw Rɂw T
(7)
Donde Rɂw es la constante específica del vapor de agua que vale Rɂw = 461,4 J/(kg K).
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Figura 1. Separación virtual de los dos componentes del aire: aire seco y vapor de agua
Esta ecuación y la anterior podemos combinarlas dividiéndolas miembro a miembro:
Simplificando, se obtiene:
pw V
mw Rɂw T
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
pa V
ma Rɂa T
mw
Rɂa pw
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ = ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
ma
Rɂw pa
(8)
En este punto haremos una consideración relativa a la simbología utilizada en esta
obra; indicaremos con el símbolo m una masa en kg y por m un caudal másico en kg/s;
lo mismo con el calor, Q sería calor en J y Q calor por unidad de tiempo en W y lo
mismo con el volumen, V sería volumen y V caudal volumétrico en m3/s o m3/h. En
psicrometría es importante que quede clara la unidad de masa a la que referimos cier‐
tas magnitudes, recordemos que frecuentemente tendremos aire seco, aire húmedo,
vapor de agua y agua líquida. Representaremos con los símbolos: kga, kg, kgw, kgwl el
aire seco, el aire húmedo, el vapor de agua y el agua líquida. Obsérvese que para el
aire húmedo no se utiliza subíndice.
1.8 Parámetros característicos del aire atmosférico
1.8.1 Humedad absoluta
La representaremos con el símbolo W y se define como el cociente entre la masa de
vapor contenida en el aire y la masa de aire seco. Así pues:
W = mw / ma
que se mide en kgw/kga. También se llama humedad específica.
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