Aire Atmosférico:
El aire atmosférico es una mezcla de una serie de gases, cada uno de los cuales
tiene propiedades físicas y químicas propias.
Los componentes principales del aire atmosférico puro son oxígeno y nitrógeno,
existiendo además porcentajes pequeños de gases raros (argón, neón y helio) así
como un porcentaje variable de dióxido de carbono.
La composición del aire puro seco es:
% en volumen
% en masa
Nitrógeno
78.09
75.53
Oxígeno
20.95
23.14
Dióxido de Carbono
0.03
0.046
Argón, helio, neón, etc.
0.93
1.284
Para efectos prácticos, puede considerarse la composición de 1 m3 se aire como
sigue:
Nitrógeno
78%
Oxígeno
21%
C02 + otros gases
1%
La densidad del aire a nivel del mar y a 21 ºC es de 1.2 Kg / m3
En atmósferas normales, el aire seco no existe ya que normalmente contiene un
porcentaje variable de vapor de agua (entre 0.1 y 4% de su masa).
Se considera que este vapor de agua forma parte dela aire, aunque en realidad
constituye una impureza como podría serlo el polvo o las bacterias. Lo correcto
sería decir que un espacio contiene una cierta masa de aire y una cierta masa de
vapor de agua, es decir, un volumen de un metro cúbico contendría un metro
cúbico de aire y un metro cúbico de vapor de agua. El vapor de agua podrá
constituir hasta el 4% de la masa total de la mezcla.
Aire
+
vapor
Los gases tienden a ocupar
el máximo volumen.
( 1 m3)
La masa de un gas determinado, presente en un volumen de 1 m3 dependerá de
su temperatura y de la presión ejercida sobre el mismo.
La presión ejercida en un gas estará constituida por la presión atmosférica y las
presiones adicionales generadas por medio mecánicos tales como ventiladores o
compresores.
Para cálculos se emplea el aire normalizado o estándar (se encuentra a
condiciones atmosféricas 1 atm. ó 760 mm Hg) ; 15 ºC y humedad relativa de 60%
= 1.2 Kg / m3 .
Los vapores pueden ser condensados mediante variación de presión; para los
gases requiere primero bajar la temperatura y después cambiar la presión.
El volumen de vapor varía en base a las condiciones atmosféricas.
Leyes del comportamiento de los gases
“ Ley de Boyle”
( PV = cte)
Pero en realidad el aire se encuentra con vapor de agua
gases reales ( aire + H2O).
P
LEY DE BOYLE
Temp. critica
T
LIQUIDO
T
INTERMEDIO
VAPOR
V
Línea saturado liquido
Línea saturado seco
La temperatura crítica para el vapor de agua es de 374 ºC.
“Ley de Charles o Gay – Lussac”
( V / T = cte )
Ley General de los Gases
PV / T = cte ; establece que PV = mRT , donde:
P = presión del gas (N / m2 ó Pa)
V = volumen que ocupa el gas (m3)
M = masa del gas (Kg)
T = temperatura del gas (ºK)
R = constante de proporcionalidad
Hipótesis de Avogadro
Establece que en condiciones de igual presión y temperatura, el número de
moléculas
de
gas
contenido
en
un
volumen
dado
es
el
mismo,
independientemente del gas que esté ocupando dicho volumen.
Asumiendo que la unidad de masa sea 1 Kmol se tendrá:
P x Vm = Ro x T
donde: Vm = volumen de gas que ocupa 1 Kmol de gas (m3).
Ro = constante universal de los gases.
A presión y temperatura constante, Vm será el mismo para todos los gases.
Experimentalmente se ha determinado que para P = 101325 Pa al nivel del mar y
T = 273.15 ºK :
Vm = 22.41 m3 / Kmol
Esto hace que :
Ro = 101325 x 22.41 = 8314.66 Nm / Kmol ºK
273.15
es decir, la constante universal de los gases es:
Ro = 8314.66 Nm / Kmol ºK.
La constante para 1 Kg de gas cualquiera será:
R = Ro / M , donde M es la masa molecular del gas, por lo tanto para el aire seco
R aire seco
Ra = 287 J / Kg ºK
Similarmente para el vapor de agua:
Rv = 461 J / Kg ºK
“Ley de Dalton”
Una mezcla de gases que ocupa un volumen determinado a una temperatura
dada, ejerce una presión total igual a la suma de las presiones parciales de cada
uno de los gases presentes en la mezcla.
En estos casos se cumple que:
a) la presión ejercida por cada gas es independiente de la presencia de los otros
gases.
b) La presión total es igual a la suma de las presiones parciales.
Psicrometría
Denominada también Higrometría. Se ocupa del estudio de las mezclas de aire y
vapor de agua bajo distintas condiciones de temperatura, presión y humedad
relativa.
Humedad Relativa: Es la relación (expresada en porcentaje) entre la presión
de vapor de agua en una mezcla dada y la presión de vapor de agua para esa
mezcla en condiciones de saturación, a la misma temperatura.
H.R. = Pv aire húmedo x 100
Pv aire saturado
Contenido de humedad (w): Es la relación existente entre la masa de vapor
de agua y la masa de aire seco en una mezcla de aire dada.
Se expresa en gr/kg ó kg/kg.
w = mv
ma
Pv
w = 0.622 x
(kg/kg)
Pat – Pv
La expresión de w en (gr/kg) es:
w =622 x
Pv
Pat – Pv
Nota: A fin de conocer la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, se hace
uso del Psicrómetro, aparato que consta de dos termómetros: uno de bulbo seco y
el otro de bulbo húmedo, mediante los cuales se puede determinar dos
temperaturas del aire, las denominadas bulbo seco y bulbo húmedo.
Conocidas las temperaturas del bulbo seco (ts) y del bulbo húmedo (th), se podrá
determinar la denominada depresión del bulbo húmedo (ts – th) la que combinada
con la temperatura del bulbo seco, permite determinar la humedad relativa del
aire.
Volumen Específico (V): Es el volumen de aire seco contenido en 1 kg de
aire atmosférico (aire seco + vapor de agua). Se expresa en m3 / kg.
Entalpía:
La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se
destruye, sólo se transforma. En el proceso de transferencia de calor (hacia o
desde) un gas, ocurre una transformación de la energía interna del gas.
Energía Interna:
Es la capacidad que posee un gas para realizar trabajo y que se encuentra
almacenada en su estructura molecular. Su valor depende de la presión y
temperatura a la que se encuentra el gas.
Se puede suministrar calor (energía externa) a un gas, ya sea a presión o a
temperatura constante.
La contracción o expansión de un gas (variación de volumen) exige la aplicación
(o generación) de energía externa, es decir, es necesario efectuar trabajo.
El trabajo realizado por ( o sobre) el gas estará definido por:
w=
∫ P x dv
De donde se deduce que:
1. Si se suministra calor a un gas y se mantiene su volumen constante, se
producirá un almacenamiento de energía que servirá para incrementar la
energía interna del gas (U) y éste no realizará trabajo alguno sobre el medio
que lo rodea.
2. Si el mismo proceso se produjera a presión constante, el gas realizará trabajo
externo a medida que su volumen aumenta.
La entalpía del gas se define como:
H = U + PV
Donde P y V pueden ser cuantificados, mientras que resulta imposible asignar
un valor numérico a la energía interna U. Por esta razón, cuando se hace
referencia a la entalpía de un gas, en realidad se está hablando del cambio de
entalpía ( o entalpía relativa) del gas con respecto a un nivel de referencia, el
cual si es susceptible de ser cuantificado.
En Psicrometría, se define a la entalpía del aire atmosférico como:
h = ha + w hg
;
en KJ / kg
donde:
ha = entalpía del aire seco
hg = entalpía del vapor de agua
w = contenido de humedad (kg / kg)
Considerando los 0º C como nivel de referencia, se sabe que entre 0 y 60ºC:
ha = 1.007 t – 0.026
hg = 2501 + 1.84 t
h = (1.007 t – 0.026) + w (2501 + 1.84 t)
Aplicación:
Si se tiene dos corrientes de aire de diferentes características que confluyan en un
punto determinado, el concepto de entalpía nos permitirá conocer las
características del aire resultante.
w2, h2, ma2
w1, h1, ma1
w3, h3, ma3
Por el principio de conservación de la masa:
w1 - w3 = ma2
w3 - w2
ma1
Por el principio de conservación de la energía:
h1 - h3 =
ma2
h3 - h2
ma1
CAPACIDAD TERMICA (Cp)
Se define la capacidad térmica de una sustancia, como la cantidad de calor que es
necesario agregar (o extraer) de ella para incrementar (o reducir) la temperatura
en 1 ºC.
Q = ma x Cp x t
Cp (KJ / kg ºC)
P = cte
V = cte
Aire seco
1.005
0.712
Vapor de agua
1.884
1.382
Agua
4.187
Hielo
2.094
Madera
1.758
Carbón
1.005
Cuarcita
0.837
Vidrio
0.753
Hierro
0.461
Cobre
0.377
Plomo
0.126
Oro
0.126
Los términos entalpía y cantidad de calor, se refieren al mismo cambio de energía
entre dos niveles de temperatura.
Nota:
Calor Latente (KJ / Kg): Es Q requerido para cambiar el estado de una
sustancia, sin cambiar su temperatura.
P
V
Calor Sensible (KJ / Kg ºC): Es Q que si cambia la temperatura de la
sustancia:
Temperatura de Rocío: Es la temperatura de aire saturado que tiene la
misma presión de vapor que el aire que se está considerando.
PRESION ATMOSFERICA:
Representa la presión ejercida por una columna de aire sobre un punto cualquiera
de la superficie terrestre. La variación de la presión atmosférica con la altitud está
controlada por las variaciones de densidad y temperatura de la columna de aire.
PH , H , TH
P + dp
dh
H
,T
p
h
Po , o , To
nivel del mar
La presión ejercida por una columna de aire de altura h es:
P= xgxh
Si: T = 0 y = P
RT
Si T <> 0
y
T = To – th
Donde t = 0.0065 oK/m
Ras = 287 J / Kg ºK
( t en ºK / m).
TABLAS PSICROMETRICAS
Está basado en cuatro expresiones sencillas.
-
Para la presión de vapor del aire saturado:
Pvs = 0.6105 x e 17.27 t /( t + 237.3)
Kpa ; T = ºC
Para el aire atmosférico:
PV = PVSBH – 0.000644 x P (tBS – tBH)
-
Contenido de humedad:
C.H. = 622 x
PV
(gr /Kg)
P – PV
H.R. = PV x 100
PVS
-
Para la densidad:
=
P – 0.378 PV
0.287 x (tBS + 273.15)
(Kg / m3)
Kpa
Diagrama bioclimático de Olgyay
Los hermanos Olgyay (EEUU) fueron los primeros que representaron en una carta los
parámetros de comodidad térmica, basándose en datos de fisiólogos en 1925, que permite
establecer una una “zona de comodidad” en relación con la temperatura y humedad relativa
del aire.
Este método se basa en unas condiciones muy concretas, para una persona con una
actividad ligera (paseando), vestida con ropa de entretiempo (1 Clo), sin viento y a la
sombra.
En la primera figura se muestra en gris la zona de confort, delimitada por la temperatura del
aire entre los 21ºC y 27ºC, y la humedad relativa entre 20ª y 75%, con una zona de exclusión
para el aire demasiado cálido y húmedo (sudor). Este gráfico además muestra:
Las sensaciones fisiológicas de las zonas periféricas.
Los límites de la actividad o el riesgo en función de las condiciones de calor y humedad.
La tolerancia a bajas temperaturas cuando se aumenta el arropamiento (unidades Clo).
En la segunda figura se muestra el desplazamiento de la zona de confort cuando se aplican
medidas correctoras del ambiente:
Aumento de la radiación incidente o soleamiento (W absorbidos) contra el frío.
Aumento de la velocidad del viento (m/s) contra el exceso de calor y humedad.
Evaporación adiabática (g agua/Kg aire) contra el exceso de calor y sequedad.
Es interesante para el estudio del ambiente exterior o clima, ya que se le puede incorporar
los datos de temperatura y humedad del clima de una localidad, en diferentes meses y horas
del día. También es un indicativo de las medidas de modificación microclimáticas para
corregir situaciones de incomodidad térmica al exterior.
Sin embargo, este método ha recibido críticas cuando se ha querido aplicar para evaluar
condiciones ambientales interiores, ya que no permite evaluar en detalle el “nivel de
comodidad” ni la influencia de parámetros personales como la actividad, el arropamiento o la
temperatura radiante media de los cerramientos, tal como se describen en otros métodos
mas modernos.
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