Psicrometría: propiedades termodinámicas del aire húmedo

Psicrometría: Conceptos Fundamentales del Aire Húmedo

La psicrometría es la rama de la física que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo, es decir, las mezclas de aire seco y vapor de agua. Comprender estos conceptos es crucial en campos como la climatización, la ingeniería térmica y los procesos de deshidratación. A continuación, se detallan las propiedades más importantes:

Propiedades Clave del Aire Húmedo

Humedad Absoluta (X)

La humedad absoluta (X) se define como el contenido de humedad de un volumen de aire, expresado en kilogramos de agua por kilogramo de aire seco (kg H₂O/kg aire seco). Esta propiedad está directamente relacionada con la presión de vapor de agua en el aire.

Su fórmula es:

X = 0,622 * (p_v / (P - p_v))

Donde:

• p_v es la presión parcial del vapor de agua.
• P es la presión total del aire húmedo.

Aire Saturado

El aire saturado es aquel cuyo contenido de humedad es el máximo posible a una presión total (P_total) y temperatura (T) determinadas. En condiciones de saturación, la presión parcial del vapor de agua en el aire es igual a la presión de vapor del agua pura en equilibrio a esa misma temperatura.

Humedad Relativa (φ) o Saturación Relativa

La humedad relativa (φ) es una magnitud que indica el grado de saturación de un aire húmedo. Se define como la relación entre la cantidad de vapor de agua que acompaña a una determinada masa de aire y la cantidad que esta misma masa contendría si estuviera saturada a la misma temperatura.

Se expresa en porcentaje (%) y su fórmula es:

φ = (p_v / p_s) * 100%

Donde:

• p_v es la presión parcial del vapor de agua.
• p_s es la presión de saturación del vapor de agua a la temperatura del aire.

La humedad relativa representa una medida de la capacidad del aire para absorber vapor de agua, siendo crucial en procesos de deshidratación.

Densidad del Aire (ρ)

La densidad del aire (ρ) es la relación entre la masa de una determinada cantidad de aire y el volumen que ocupa en condiciones específicas. Es importante destacar que, al aumentar la humedad de un aire, la densidad de la mezcla (aire seco + vapor de agua) disminuye respecto a la del aire seco puro.

Su fórmula general es:

ρ = (m_v + m_a) / V

Donde:

• m_v es la masa del vapor de agua.
• m_a es la masa del aire seco.
• V es el volumen de la mezcla.

Calor Específico (s) del Aire Húmedo

El calor específico (s) del aire húmedo es la capacidad calorífica de la mezcla, es decir, el calor necesario para elevar en 1°C la temperatura de 1 kg de aire seco y de los 'x' kg de vapor de agua que lo acompañan.

Los valores típicos del calor específico a presión constante (c_p) son:

• c_p(aire seco) ≈ 0,24 kcal/(kg·°C) (1,00 kJ/(kg·°C))
• c_p(vapor de agua) ≈ 0,46 kcal/(kg·°C) (1,93 kJ/(kg·°C))

La fórmula para el calor específico de la mezcla es:

s = c_p,aire + c_p,agua * x

O, con los valores aproximados:

s = 0,24 + 0,46 * x

Entalpía del Aire Húmedo (i)

La entalpía del aire húmedo (i) representa la energía total contenida en la mezcla de aire seco y vapor de agua, referida a una temperatura base (T₀). Se compone de la energía sensible del aire seco, la energía sensible del vapor de agua y la energía latente asociada al vapor de agua.

La entalpía se calcula como la suma de los siguientes componentes:

1. Calor sensible del aire seco: Energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de aire seco desde T₀ hasta T. (1 * c_p,aire * (T - T₀))
2. Calor latente del vapor de agua: Energía necesaria para evaporar 'x' kg de agua a T₀. (595 * x, donde 595 kcal/kg es el calor latente de vaporización del agua a 0°C).
3. Calor sensible del vapor de agua: Energía necesaria para elevar la temperatura de 'x' kg de vapor de agua desde T₀ hasta T. (x * c_p,agua * (T - T₀))

Considerando T₀ = 0°C, la fórmula simplificada para la entalpía es:

i = (0,24 + 0,46 * x) * T + 595 * x

Donde T está en °C.

Temperatura de Bulbo Seco (T_seca)

La temperatura de bulbo seco (T_seca) es la medida directa de la temperatura de una mezcla de aire y vapor de agua, obtenida con un termómetro convencional que no está afectado por la humedad.

Temperatura de Rocío (T_rocío)

La temperatura de rocío (T_rocío) es la temperatura a la que una mezcla de aire seco y vapor de agua alcanza la saturación cuando se enfría a humedad absoluta constante. Es decir, es la temperatura a la que el vapor de agua en el aire comenzaría a condensarse si el aire se enfriara sin cambiar su contenido de humedad.

Temperatura de Bulbo Húmedo (T_húmeda)

La temperatura de bulbo húmedo (T_húmeda) es la temperatura que alcanza una superficie de agua cuando se evapora en el aire. En el equilibrio, el calor transmitido por convección desde el aire hasta la superficie de una gasa húmeda es igual al calor latente requerido para la evaporación del agua a esa temperatura (T_w).