F2Cap07TDAtmosfera

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Física General II 
Capitulo 7
Termodinámica de la atmosfera
Capitulo 7: Termodinámica de la atmosfera
Contenido
• Definiciones. 
• Composición del aire atmosférico 
• Estructura de la atmósfera. 
• Parámetros meteorológicos y su variación. 
– Humedad. (Ecuación de Clasius Clapeyron). 
– Presión atmosférica.
• Instrumentación: Estaciones, Radares y Satélites 
meteorológicos 
• Balance de la radiación. 
• Problemas actuales de la atmósfera.
Capitulo 7: Termodinámica de la atmosfera
Referencias
Item Autor(es) Titulo Tomo/Vol. Cáp. Páginas
01 Resnick-
Halliday
Física (7Ed.
1984)
01 23, 24 513-555
02 Sears – Z – Y -F Física Univ.
(1999)
01 16 499-532
03 Serway Física (3Ed.
1996)
01 21 573-599
04 Tipler Física (4Ed.
2002)
01 18,19 537-593
Capitulo 7: Termodinámica de la atmosfera
Definiciones
• Atmósfera: Capa gaseosa que rodea a la
Tierra. Se extiende desde la superficie hasta,
aproximadamente, 100km de altura (1.5% del
radio terrestre, RTierra=6380km)
• Termodinámica de la atmósfera: Parte de la
física que aplica las leyes de la termodinámica
al estudio los procesos y fenómenos que
ocurren en la atmósfera.
Composición del aire atmosférico
It. Componente Símb. P.M. Fracc.(Vol.) % masa CEG (R*)
Temp. 
Fus.
Temp. 
Ebu.
1 Nitrógeno N2 28.02 0.7808 75.51 296.5 -210 -196
2 Oxigeno O2 32.00 0.2095 23.14 259.6 -219 -183
3 Argón Ar 39.95 0.0093 1.28 208.0 -189 -186
4 Vapor de agua H20 18.02 0-0.04 0-2.5 461.1 0 100
5 Dióxido de Carbono CO2 44.01 345ppmv 0.05 188.8 -78.5
6 Neón Ne 20.18 18ppmv 411.8 -249 -246
7 Helio He 4.00 5ppmv 2077.5 -272 -269
8 Kriptón Kr 83.70 1ppmv 99.3 -157 -153
9 Hidrogeno H2 2.02 0.5ppmv 4113.8 -259 -253
10 Ozono O3 48.00 0-12ppmv 173.1 -251 -112
El aire de la atmosfera es una mezcla gaseosa
Papel del vapor de agua en la atmosfera
• El agua cambia de fase (hielo, agua liquida y
vapor) a temperaturas ambientales que
conlleva a una transferencia de masa y energía
(calor) entre las fuentes agua (océanos, mares,
lagos y ríos) y la atmósfera.
• Aire seco: Aire sin vapor de agua
• Aire húmedo: Aire con vapor de agua
Ley de Dalton. (John Dalton, 1766-1844, químico británico)
En una mezcla de gases, la presión total es igual a la suma de las
presiones parciales de sus componentes gaseosos, es decir, la
suma de las presiones que cada componente ejercería si
estuviera solo y ocupara el mismo volumen de la mezcla de
gases”
• Constante Especifica de gas (CEG) : 
• Para la mezcla gaseosa: 
• Para cada componente: 
M
R
R *
TmRpV * TRpv
* TRp *
;
,
TRmVp iii
* TRmpV iii
*
, 

i
ipp 
i
iVV
Estructura de la atmósfera
• Troposfera (0 – 12 km): 
– Tropopausa (~12 km)
• Estratosfera (12 -48 km)
• Capa de Ozono (30 -52km)
– Estratopausa (~48 km)
• Mesosfera (48 – 80 km)
– Mesopausa (~ 80 km)
• Termosfera (80 – 500km)
• Ionosfera (80 – 1000km)
Principales parámetros atmosféricos
Parámetro Unidad Medidor
Temperatura ºC Termómetro
Presión atmosférica mB Barómetro
Humedad Relativa % Higrómetro
Velocidad del viento
Dirección del viento
m/s
Angulo de Azimuth
Anemómetro
Radiación Solar W/m2 Radiómetro
Lluvia mm Pluviómetro
Punto de Rocío ºC Termó-higrometro
La humedad del aire atmosférico
La humedad es el contenido o concentración de vapor de agua en la atmósfera.
• Humedad Absoluta
Masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire (kg/m3).
Equivale a la densidad del vapor (ρv)
• Humedad Específica
Masa de vapor de agua por unidad de masa de aire (kg/kg).
Equivale a la relación entre la densidad del vapor y la densidad del aire.
(ρv/ρaire)
• Humedad Relativa
HR = 100% (aire saturado) y 0% (aire seco).
%)100((%)
vs
pv
p
p
HR 
Interpretación cinético-molecular de la vaporización
Si se suministra energía calorífica a un líquido, se incrementa la energía cinética media de sus 
moléculas aumentando el volumen del líquido
La energía cinética media es función de la temperatura y, relativamente, pocas moléculas 
tienen gran energía cinética
Las moléculas que tienen gran energía cinética escaparan del liquido debido a su energía 
proyectándose al espacio exterior como molécula de vapor.
El promedio de energía de las moléculas que quedan en el liquido será menor que el que existía 
antes del escape y por tanto el liquido se enfría durante la evaporación.
Puede ocurrir que las moléculas escapadas choquen con el gas (aire) o con otras moléculas ya 
escapadas que se encuentren en las proximidades, cambien el sentido de su velocidad 
volviéndose a introducir en el liquido y frenando el proceso de enfriamiento.
Presión parcial de vapor y presión de vapor saturado
• Presión parcial de vapor (ppv)
Presión parcial del vapor de agua como componente gaseoso 
del aire. Depende de la cantidad de vapor de agua en el aire.
• Presión de vapor saturado (pvs)
Presión de un vapor en equilibrio con su líquido o sólido a una 
determinada temperatura . 
Depende solo de la temperatura de la fase liquida o solida.
• La ecuación de Clasius-Clapeyron gobierna los cambios de 
fase en la materia.
L
vT
dp
dT 










 21
*
11
12
TTR
L
vsvs
vepp
Presión de vapor saturado en función 
de la temperatura
Presion de vapor saturado en agua y en hielo
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Temperatura (C)
P
re
s
io
n
 d
e
 v
a
p
o
r 
(m
B
)
ea(mB) eh(mB)









 21
*
11
12
TTR
L
vsvs
vepp
T
vp
2354
4041.9
10


Punto de Rocío (Tr)
• Temperatura a la cual el vapor de agua del aire se
satura. A esta temperatura el vapor comienza a
condensar y se forman de gotitas de agua
(formación de nubes).
• En el punto de rocío se cumple:
• El concepto de punto de rocío explica los
siguientes hechos
– Por que “suda” una botella helada
– Por que sale “humo” de la boca cuando estamos en
un aire humedo a bajas temperaturas.
)()( TpTp pvrvs 
El ciclo hidrológico
Variación de los parámetros atmosféricos
• Variación temporal (en el tiempo)
– Diaria: a lo largo de las horas del día
– Anual: a lo largo de los meses y estaciones del año
• Variación espacial (en el espacio)
– Zonas ecuatoriales (latitudes bajas)
– Zonas tropicales (latitudes medias)
– Zonas polares (latitudes altas)
• Variación en función de la altura
Variación temporal de la temperatura
• Variación diaria
– Diurna: Temperatura alta
– Noche: Temperatura baja
• Variación anual
– Verano: Temperatura alta
– Invierno: Temperatura baja
0
10
20
30
40
1
1
1
2
1
3
1
4
1
5
1
6
1
7
1
8
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1
1
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1
5
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6
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1
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3
6
1
T
e
m
p
e
ra
tu
ra
 (
ºC
)
Dia del Año
Temperaturas Máximas y Mínimas en Campus UDEP. 
(Caseta en Estacion Radar de UDEP)Prom. Tmáx. (2001-10) Prom. Tmín. (2001-10) Dif. Pr.
Variación espacial de la temperatura
Variación de la presión atmosférica con la altura
• Atmosfera isotérmica
• Atmosfera politrópica
ah
o
hRTMg
o epepp
  )(
















 

RgM
o
o
RgM
o
o
o
T
T
p
T
hT
pp
Presión a nivel del mar: po=1 atm = 1013.25 mB = 760 mm Hg = 1.013x10
5 Pa
Instrumentación meteorológica
• Estaciones meteorológicas: Lugar
equipado con los instrumentos para la
medida de los parámetros
meteorológicos
• Radares meteorológicos
Sistemas de detección remota que usa 
ondas para la medición de parámetros 
meteorológicos a distancia.
• Satélites meteorológicos: Satélites 
provistos de equipos para la observación 
de la atmosfera
Estación meteorológica de UDEP
• La estación meteorología es parte del observatorio 
ambiental instalado en el campus de UDEP
• Como parte del lab. #4 se hará una visita a esta 
estación
• Balance de la radiación en la Tierra
La radiación es el único mecanismo de transferencia de energía a 
través del vacío. De esta forma la radiación solarllega a la Tierra 
(Constante Solar = 1380 Wm-2) . 
Esta energía se distribuye de la siguiente manera:
– Energía reflejada por la atmosfera (Albedo Terrestre) 30%
– Energía absorbida por la atmósfera y nubes 20%
– Energía absorbida por la superficie de la Tierra. 50%
Física General II
Capitulo 7: Termodinámica de la atmosfera
Temperatura de la Tierra 
• Constante Solar = 1380 Wm-2
•
• Temperatura de la Tierra sin albedo: 7°C
• Temperatura de la Tierra con albedo: -17.5°C
• Temperatura de la Tierra con albedo y con efecto invernadero:
15°C=59°F (valor promedio medido instrumentalmente).
42 )(1380 TierraTierraTierra TAer  
Física General II
Capitulo 7: Termodinámica de la atmosfera
Efecto invernadero
• Efecto producido en un invernadero en el que la radiación solar (radiación visible
de onda corta) atraviesa las paredes de transparentes y es absorbida por el suelo
que reemite esta energía en forma de radiación infrarroja (onda larga). Debido a
que la radiación infrarroja no puede escapar a través de las paredes la temperatura
en el interior del invernadero aumenta.
Física General II
Capitulo 7: Termodinámica de la atmosfera
Efecto invernadero en 
la Tierra.
La atmósfera de la Tierra
se comporta como un
invernadero .La
superficie absorbe la
mayor parte de la
radiación solar
reemitiéndola en forma
de radiación infrarroja
(IR). Esta es absorbida
por el dióxido de
carbono, el agua y el
ozono de la atmósfera,
además por las nubes, y
es re-irradiada hacia la
Tierra.
Gases del efecto invernadero
FUENTE ACTIVIDAD 
ECONÓMICA
Gases de 
Efecto 
Invernadero
OTROS 
CONTAMINANTES DEL 
AIRE
QUEMA DE 
COMBUSTIBLES 
 Generación de 
Energía.
 Sector Industrial.
 Transporte
CO2,CH4, N2O SO2, NO2, MP, CO, O3, 
Pb.
OTRAS QUEMAS  Bosques.
 Sabanas
CH4, N2O MP
EMISIONES 
FUGITIVAS
 Almacenamiento 
y transporte de 
combustibles 
fósiles
 Domésticas
CH4, CO2 COVs
DESECHOS  Aguas 
residuales.
 Rellenos 
sanitarios.
CH4, H2S
Física General II
Capitulo 7: Termodinámica de la atmosfera
Problemas actuales de la atmósfera terrestre
• Contaminación atmosférica: Emisión de gases tóxicos
Actividad antropogénicas  Emisión de gases a la atmósfera 
Contaminación atmosférica
• Destrucción de la capa de Ozono: Por emisión de CFC
Actividad antropogénicas  Emisión de gases a la atmósfera (CFC) 
destrucción de la capa de Ozono.
• Calentamiento Global: Esta causando cambios climáticos
Actividad antropogénicas  Emisión de gases a la atmósfera (CO2) 
Aumento del efecto invernadero  Calentamiento Global  Cambio 
Climático
Variación de la Temperatura de la Tierra
Aumento de la 
concentración de CO2
en la atmosfera
Según el panel IPCC, la temperatura de la 
superficie terrestre ha aumentado 
aproximadamente 0.6°C en el último siglo. 
Aumento del efecto invernadero
La emisión de gases a la atmosfera esta
contribuyendo al aumento del efecto
invernadero reflejado en el calentamiento
global. Entre los efectos de este
calentamiento están:
– Cambio climático
– Derretimiento de la criosfera
– Aumento del nivel de los océanos
– Falta de agua en lugares de altura
http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://quiron.files.wordpress.com/2007/03/n043p15d.jpg&imgrefurl=http://quiron.wordpress.com/2007/03/30/cambio-climatico-costas-en-peligro-inminente/&h=490&w=490&sz=40&tbnid=GC71mQVDV2q-nM:&tbnh=130&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Dcambio%2Bclimatico%26um%3D1&start=2&sa=X&oi=images&ct=image&cd=2
http://images.google.com.pe/imgres?imgurl=http://quiron.files.wordpress.com/2007/03/n043p15d.jpg&imgrefurl=http://quiron.wordpress.com/2007/03/30/cambio-climatico-costas-en-peligro-inminente/&h=490&w=490&sz=40&tbnid=GC71mQVDV2q-nM:&tbnh=130&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3Dcambio%2Bclimatico%26um%3D1&start=2&sa=X&oi=images&ct=image&cd=2
Efectos del cambio climático en el Perú
• Retroceso de los glaciales
Los estudios realizados permiten formular la
hipótesis de que para el 2015 o antes todos los
glaciares del Perú por debajo de los 5.500 metros
sobre el nivel del mar desaparecerían como
consecuencia del calentamiento de la tierra.
• Cambio en el régimen de temperaturas y 
precipitaciones.
Condiciones meteorológicas inusuales en las
distintas regiones de país (cambios en la
biodiversidad). Efectos en la agricultura.
• Aumento de la recurrencia del fenómeno ENSO.
Necesidad de construir reservorios
Efectos del cambio climático en la región Piura
•Aumento de la Temperatura de agua del mar.
–La magnitud de este aumento es similar a los del 
calentamiento global
•Aumento de la recurrencia del fenómeno ENSO.
–Necesidad de construir reservorios.
•Indicadores del cambio climático
–Hidro-meteorologicos
–Biológicos
Participación de la UDEP en actividades relativas al Cambio 
Climático
Cada año se organiza un ciclo de conferencias por el Día Mundial del 
Ambiente (05 de Junio).
2008
Medidas Piloto de “Adaptación al Cambio Climático en la Región Piura”. 
Facultades de Ingeniería y de Educación.
2009
Taller sobre la agenda científica del cambio climático en la región norte del 
Peru. (30 de Abril 2009)
Video sobre el cambio climático
(Duración 6 minutos)