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AIRE HÚMEDO CONTENIDO DE LA PRESENTACIÓN: Aire húmedo Humedad absoluta Grado de saturación Humedad relativa Entalpía del Aire húmedo Temperatura de saturación adiabática Punto de rocío Diagrama Psicrométrico TERMODINÁMICA Sabias que: El aire atmosférico es una mezcla de un gas (aire seco) y vapor de agua, constituyendo entonces un “Aire húmedo” TERMODINÁMICAAire húmedo Puede considerarse como una mezcla de dos gases perfectos: aire y vapor de agua, pues el primero se comporta como tal y al segundo pueden aplicarse las leyes de los mismos, considerando que su masa y su presión parcial es muy pequeña. De acuerdo con la ley de Dalton, la presión total de la mezcla o presión atmosférica (Pt) es igual a la suma de las presiones parciales en el aire seco (Pa) y en el vapor de agua (Pv) o sea: Gas (Aire seco) Vapor de agua Aire atmosférico TERMODINÁMICA Así por ejemplo para 27ºC Pvs= 26,74 mmHg o sea Pvs=0,035 atm (kg/cm2) TERMODINÁMICA Dos casos En el primer caso el aire contiene una cantidad de vapor de agua que para la misma temperatura puede aumentar. Al hacerlo aumenta también su presión parcial hasta llegar al límite, definido como aire saturado de humedad. En el segundo caso el aire está saturado de humedad y contiene la mayor cantidad de vapor de agua que le es posible admitir a la temperatura a que se encuentra, vale decir que si a un ambiente en estas condiciones se le agrega humedad. Esta permanecerá en estado líquido en suspensión o sea niebla. TERMODINÁMICAHumedad absoluta. Se define como humedad absoluta del aire atmosférico a “la cantidad de masa de vapor de agua que existe por unidad de masa de aire seco”. La designamos con la letra (X) Este valor será máximo para una temperatura determinada, cuando el ambiente está saturado de humedad, entonces recibe el nombre de humedad absoluta de saturación o simplemente humedad máxima (Xs). TERMODINÁMICA De acuerdo con la segunda ley de Dalton puede considerarse a cada componente de la mezcla sometido a su presión parcial y ocupando todo el volumen del recipiente que lo contiene. El volumen específico del aire húmedo lo podemos considerar el volumen total. Si la mezcla es de 1kg de aire seco y X kg de vapor de agua, entonces: Para 1kg de aire seco: 𝑃𝑎 ∗ 𝑣 = 29,27 ∗ 𝑇 (A) Para x kg de vapor de agua 𝑃𝑣 ∗ 𝑣 = 47,06 ∗ 𝑋 ∗ 𝑇 (B) Sumando miembro a miembro se obtiene la ecuación de estado de (1+X) kg de aire húmedo o sea para cada kg de aire seco que aparece en la mezcla. Dividiendo miembro a miembro (A) y (B) y despejando X obtendremos: (𝑃𝑎 + 𝑃𝑣) ∗ 𝑣 = (29,27 + 47,06 ∗ X) ∗ 𝑇 𝑃𝑡 ∗ 𝑣 = (29,27 + 47,06 ∗ 𝑋) ∗ 𝑇 (1) 𝑋 = 0,622 ∗ 𝑃𝑣 𝑃𝑡 − 𝑃𝑣 𝑋𝑠 = 0,062 ∗ 𝑃𝑣𝑠 𝑃𝑡 − 𝑃𝑣𝑠 (2) (3) TERMODINÁMICA En la anterior expresión observamos que si fijamos el valor Pt; la humedad máxima solo depende de la Pvs que está determinada por la temperatura. Por lo tanto para una presión atmosférica establecida la humedad máxima es una constante característica del aire húmedo que solo es función de la temperatura. Esa misma expresión permite observar que cuanto mayor es la temperatura mayor resulta Xs. Entonces la capacidad de absorber vapor de agua que posee el aire aumenta con la temperatura. TERMODINÁMICA Pv1Pv2 T S T1 12 3 T1: temperatura del aire atmosférico (húmedo). Pv1: presión parcial del vapor en 1. “Si al aire húmedo se le agrega una masa adicional de vapor de agua manteniendo en la mezcla la misma temperatura y presión total, deberá aumentar la presión parcial el vapor y disminuir la presión parcial del aire seco”. “Si al aire húmedo se le agrega una masa adicional de vapor de agua manteniendo en la mezcla la misma temperatura y presión total, deberá aumentar la presión parcial el vapor y disminuir la presión parcial del aire seco”. El estado del vapor será en general sobrecalentado. Aire Húmedo TERMODINÁMICA Si seguimos incorporando más vapor en las condiciones dichas a Pt = cte. y T = cte. Llegamos al estado 3. El vapor pasa de sobrecalentado a saturado seco. Si pretendiéramos incorporar más vapor de agua, éste se condensa en pequeñísimas gotas de agua formando una niebla en suspensión en el aire húmedo. Esto es así porque la presión no puede ser mayor que la presión del vapor saturado o sea en la condición de equilibrio con su líquido, fijada la Pt y para cada temperatura corresponde un Pvs y Xs . Nota: El excedente de agua estará como liquido o solido según la temperatura. TERMODINÁMICA Grado de saturación ϕ En algunas aplicaciones técnicas se emplea el grado de saturación. “es la relación entre la cantidad de vapor de agua que el aire contiene a una cierta temperatura y la que tendría si estuviera saturado de humedad” Humedad relativa ψ “es la relación entre la presión parcial del vapor en un aire húmedo y la presión parcial del vapor saturado a la misma temperatura y presión total de la mezcla” (4) (5) TERMODINÁMICA Reemplazando (2) y (3) en (4) Dado que Pt y Pvs tiene valores muy inferiores a la presión atmosférica normal, se cumple: entonces: O sea: TERMODINÁMICA Entalpía del aire húmedo (específica) La entalpía de la mezcla de 1kg de aire seco más X kg de vapor asociado es igual a la entalpía del aire seco más la entalpía de su vapor asociado. Para el cálculo de la entalpia del aire seco se toma como valor del calor especifico medio a p=cte. Cpm = 0,24 kcal/kg º C TERMODINÁMICA Supongamos el siguiente proceso en donde la humedad del aire húmedo aumenta por cuanto el mismo pasa por una cámara aislada que contiene una superficie de agua cuya longitud es lo suficientemente grande para que el aire salga por la sección (2) ya saturado. hm: entalpia del aire húmedo no saturado. hsa: entalpia del aire húmedo saturado (adiabáticamente) X: humedad absoluta. Xsa: humedad absoluta de saturación adiabática. El proceso es todo adiabático. Entalpía del aire húmedo TERMODINÁMICA Del 1º principio para sistema circulante El cálculo de la entalpía del vapor de agua a la presión parcial Pv y temperatura T, se simplifica por la circunstancia ya expuesta de la coincidencia de las líneas isoentálpicas e isotérmicas en la zona de bajas presiones del vapor sobrecalentado. Entonces TERMODINÁMICA Temperatura de saturación adiabática Cuando una masa de agua está en contacto con una corriente de aire cuyo vapor tiene una presión parcial (Pv) menor que la presión parcial de equilibrio correspondiente a la temperatura del líquido (Pvs); el agua se va a evaporar lentamente incorporándose a la corriente de aire disminuyendo la temperatura de éste. La entalpía del aire húmedo permanece constante. Nota: En esta transformación el aire seco disminuye su entalpia (ha); pero simultáneamente aumenta la entalpía del vapor (hv). TERMODINÁMICA Recordemos la entalpía del aire húmedo en este caso a la entrada vale: La entalpía a la salida cuando está saturado: como Como X La anterior nos permite calcular la temperatura de saturación adiabática conociendo la entalpía inicial del aire húmedo pues Xsa=f (Tsa) una vez establecida la presión total Pt. TERMODINÁMICA En la misma forma que una temperatura de rocío nos indica todos los estados posibles del aire para los cuales su humedad absoluta es igual a la humedad máxima, la temperatura de saturación adiabática corresponde a todos los estados posibles del aire para los cuales su entalpía es igual a la entalpia de saturación adiabática. Temperatura o punto de rocío El vapor de agua contenido en una masa de aire no saturado tiene un estado de vapor sobrecalentado, pues su presión parcial (Pv) es menor que la presión (Pvs) que correspondería para la saturación a la temperatura en que se halla. Temperatura de saturación adiabática TERMODINÁMICA Para el vapor de agua representamos su estado en un diagrama T-S, su presión será por ejemplo la del punto 1, T1 correspondea la temperatura del aire húmedo no saturado y (Pv), la presión del vapor de agua. Como puede verse en la figura el valor de Pv1 es menor que la presión Pvs2 para el cual el ambiente estaría saturado a la temperatura T1 pues las presiones decrecen de izquierda a derecha en el diagrama entrópico. Por ello el punto 2 se denomina punto de saturación a la temperatura T1 Temperatura o punto de rocío TERMODINÁMICA Si para una presión atmosférica P0 dada, disminuimos la temperatura del aire que contiene vapor en el estado 1 sin modificar otra condición, es decir sin humidificar ni secar el aire, el valor de la humedad absoluta X no varía. x=f (pv) Si P El vapor al enfriarse el aire en esta forma pasara por sucesivos estados de la curva (1-r) hasta alcanzar en (r) “el punto de rocío”. En dicho estado, la presión (Pv1) del vapor de agua coincide con la de saturación a esta menor temperatura, que será la menor a la que se puede llevar el aire húmedo sin que se produzca la condensación de sus vapores. Temperatura o punto de rocío TERMODINÁMICA Como el aire en (r) está saturado y no admite más cantidad de vapor, coincide la humedad absoluta X1 del estado 1 con la humedad absoluta de saturación Xs o humedad máxima a la temperatura Tr. En síntesis: De acuerdo a lo anterior “el punto o temperatura de rocío” corresponde al estado de saturación de una masa de aire húmedo que se enfría sin modificar su contenido de humedad”. Temperatura o punto de rocío
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