TEMPERATURA DE PUNTO DE ROCIO

La importancia del agua y el vapor de agua en nuestro ambiente son enormes. Su intensa interacción con los sistemas biológicos asegura un lugar central en el ser humano.También, tiene un papel prominente en la industria, y una gran influencia en el clima. Algunas de las mas importantes áreas en las que la medición y u o control de concentraciones de agua figuran son: agricultura, aire acondicionado, secado, procesamiento de alimentos, procesamiento de textiles, electrónicos, ingeniería, refrigeración, meteorología, almacenamiento de materiales, y medicina. Pero, ¿Qué término utilizamos al medir la presencia de agua?: Presión Parcial de Vapor de Agua, Humedad Relativa, Humedad Absoluta, Temperatura de Punto de Rocío, Temperatura de Punto de Escarcha, Temperatura de Bulbo Húmedo, Razón de Masas, Entalpía; todos estos términos describen la humedad de un gas.

El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.

Para una masa dada de aire, que contiene una cantidad dada de vapor de agua (humedad absoluta), se dice que la humedad relativa es la proporción de vapor contenida en relación a la necesaria para llegar al punto de saturación, expresada en porcentaje. Cuando el aire se satura (humedad relativa igual al 100%) se llega al punto de rocío. La saturación se produce por un aumento de humedad relativa con la misma temperatura, o por un descenso de temperatura con la misma humedad relativa.

Haciendo un ejemplo aplicativo:

Pr = Punto de rocío. T = Temperatura en grados Celsius H = Humedad relativa.

Sin embargo la fórmula ampliamente utilizada es:

Pr = Punto de rocío. T = Temperatura en grados Celsius H = Humedad relativa.

Esta última fórmula, aunque es ampliamente usada, no siempre genera el resultado correcto.

La temperatura del punto de rocío también depende de la presión de la masa de aire, hecho que no se tiene en cuenta en las fórmulas anteriores.1

Veamos un ejemplo.  Si en un día determinado, en nuestra ciudad tenemos 26º de temperatura y 60% de humedad relativa, el correspondiente punto de rocío (de acuerdo a la tabla) es de 18º.  Pero ¿qué significan estos 18 grados?  Pues bien, si el aire de la zona se enfría rápidamente, y la temperatura desciende de los 26º actuales hasta los 18º del "punto de rocío" (o sea, un descenso de 8 grados en pocos minutos), sucederán dos fenómenos meteorológicos consecutivos.  Primero, se formarán pequeñísimas gotas de agua líquida (rocío) sobre todas las superficies lisas que se encuentran al aire libre.  Esas gotitas de rocío son las que dan el nombre a nuestro "punto de rocío". Enseguida la condensación de agua también se producirá en el aire, formándose innumerables gotitas de agua en suspensión, las cuales constituyen una niebla.

Por lo tanto, el punto de rocío es la temperatura, a la cual, en un aire que se enfría, comienza la formación de niebla, y también de rocío sobre los objetos. 

TEMPERATURA DE BULBO SECO Y BULBO HUMEDO

Temperatura de bulbo seco

Temperatura de bulbo seco o temperatura seca es la medida con un termómetro convencional de mercurio o similar cuyo bulbo se encuentra seco.

Esta temperatura junto a la temperatura de bulbo húmedo es utilizado en la valoración del confort higrotérmico, en la determinación de la humedad relativa, en la determinación del punto de rocío, en psicrometría para el estudio y determinación del comportamiento de mezclas de aire.

Mediante el diagrama psicrométrico o tablas psicrométricas es posible a partir de dos valores de entrada conocer el resto de las propiedades de las mezclas de aire seco y aire húmedo.

Es utilizado en meteorología, confort higrotérmico en arquitectura bioclimática o arquitectura sustentable, entre otros.

El confort humano y la salud, dependen grandemente de la temperatura del aire. En el acondicionamiento de aire, la temperatura del aire indicada es normalmente la temperatura de «bulbo seco» (bs), tomada con el elemento sensor del termómetro en una condición seca. Es la temperatura medida por termómetros ordinarios en casa. Hasta este punto, todas las temperaturas a que nos hemos referido han sido temperaturas de bulbo seco, tal como se leen en un termómetro ordinario, excepto donde nos hemos referido específicamente a la temperatura del punto de rocío.

Temperatura de bulbo húmedo

El termómetro de bulbo húmedo es un termómetro de mercurio que tiene el bulbo envuelto en un paño de algodón empapado de agua. Al proporcionarle una corriente de aire, el agua se evapora más o menos rápidamente dependiendo de la humedad relativa del ambiente, enfriándose más cuanto menor sea ésta, debido al calor latente de evaporación del agua.

Se emplea históricamente en las estaciones meteorológicas para calcular la humedad relativa del aire y la temperatura de rocío, a través de fórmulas matemáticas o gráficos/cartas psicrométricas, utilizando como datos la temperatura de bulbo húmedo y de bulbo seco (esta última es la temperatura medida con un termómetro común en el aire). Ambos termómetros típicamente están montados sobre un soporte, a distancias estandarizadas, formando el instrumento llamado psicrómetro.1 La misma información, con distinta precisión, puede obtenerse con un higrómetro.

Puede también utilizarse para valorar el influjo de la humedad ambiente sobre la comodidad de los usuarios de locales (más exactamente: a través de la sensación térmica). La corriente de aire puede darse mediante un pequeño ventilador o poniendo el termómetro en una especie de carraca para darle vueltas.Es la temperatura que alcanza un termómetro cuyo bulbo está rodeado de un medio poroso que se mantine totalmente mojado cuando se lo pone en contacto con una corriente gaseosa.

Imaginemos que en un instante dado se tiene el termometro y el medio poroso mojado a una temperatura igual a la del gas que lo rodea. En las condiciones descriptas, si el gas que rodea al termómetro no está saturado se producirá evaporacion del líquido debido a la diferencia de potenciales entre las fases gaseosa y líquida.

El líquido para evaporarse necesita una cantidad de energía igual a su calor de evaporación. Esa energía será cedida por el líquido remanente y se traducirá en una disminución de la temperatura del mismo.

Humedad absoluta.- Se llama humedad absoluta a la cantidad de vapor de agua (generalmente medida en gramos) por unidad de volumen de aire ambiente (medido en metros cúbicos). SP

Humedad relativa.- La humedad relativa es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. Esta es la forma más habitual de expresar la humedad ambiental. Se expresa en tanto por ciento. %

donde

es la presión parcial de vapor de agua en la mezcla de aire;

es la presión de saturación de vapor de agua a la temperatura en la mezcla de aire; y

es la humedad relativa de la mezcla de aire que se está considerando.

La importancia de esta manera de expresar la humedad ambiente estriba en que refleja muy adecuadamente la capacidad del aire de admitir más o menos vapor de agua, lo que, en términos de comodidad ambiental para las personas, expresa la capacidad de evaporar la transpiración, importante regulador de la temperatura del cuerpo humano.

ENTALPIA Y VOLUMEN ESPECÍFICO EN LA MEZCLA DE AIRE, VAPOR Y AGUA

Entalpía del aire seco

La entalpía del aire seco depende de las condiciones de presión y temperatura a la que se encuentre, en el numeral 1.6.1.4c se puede ver que para gases ideales, la entalpía es función únicamente de la temperatura de manera que, en un gas perfecto se puede asumir condiciones de presión constante, y por tanto:

Es importante primero entender esta ecuación, antes de simplificarla, ya que es muy usual que ingenieros utilicen ecuaciones incorrectas en varios procesos. El calor específico del aire NO ES UN VALOR CONSTANTE, varía conforme la temperatura, lo que pasa es que en condiciones ambientales de 0 a 50 °, el valor se puede aproximar a una media, en este caso el calor específico a volumen constante del aire a condiciones estándares (20°C y 1 atm) es de 0.718 kJ/kg.K. No utilice esta fórmula para aire que está en procesos distintos a los psicrométricos ya que el valor estará considerablemente errado, ahora, como siempre la entalpía es medida respecto a un punto, en este caso se optó por T1 = 273.15 K (0 °C), de manera que:

Donde c_p es el calor específico promedio del aire seco en condiciones estándares bajo presión constante y equivale a:

Es decir que la entalpía específica del aire seco en condiciones de temperatura ambientales (de -15 a 50 °C) se puede aproximar a:

Donde T es la temperatura absoluta del aire en grados centígrados

Entalpía del agua en el aire

El agua contenida en el aire puede estar en varios estados: sólida (nieve o granizo) o líquida (niebla) junto a gaseosa (vapor de agua saturada), la selección de la ecuación a utilizar depende de cual sea el estado en la que se esté utilizando.

En el caso de que sea gaseosa (vapor de agua saturada), implica que el aire aún no se ha saturado y por lo tanto toda el agua en su interior es vapor de agua saturada, la entalpía del vapor de agua saturada es:

Donde,

h_ew = calor latente de evaporación del agua a 0 °C que equivale a 2501 kJ/kg

c_pw = calor específico promedio de vapor de agua a presión constante que es de 1,86 kJ/kg•K

NOTA: No utilice esta ecuación para valores inferiores a -15 °C o superiores a 50 °C.

En el caso de que sea líquida (niebla), significa que el agua está saturada pero la temperatura del aire es superior a 0 °C y por lo tanto el agua se condensó en pequeñas gotas que se conocen como niebla, en tal caso, la entalpía de esa agua líquida es simplemente:

Donde,

c_w = calor específico promedio del agua líquida (4.19 kJ/kg•K)

t = temperatura de bulbo seco en grados centígrados

Si el agua es sólida (nieve o granizo), significa que el aire está saturado y que debido a latemperatura tan baja el agua se ha congelado, pero en este caso, como estamos trabajando de referencia de entalpía la entalpía a 0 °C, esta entalpía tendrá un valor negativo y equivaldrá a:

Donde,

c_i = calor específico promedio del hielo (2.05 kJ/kg•K a 0 °C)

h_mw = calor latente de fusión (334.4 kJ/kg•K)

NOTA: No utilizar para valores inferiores a -15 °C, en tal caso se debe aproximar el calor específico de tablas mediante la ecuación empírica:

Donde,

c_i = calor específico promedio del hielo en kJ/kg•K

t = temperatura de bulbo seco en grados centígrados

Así, teniendo en cuenta que se debe invertir el rango debido a que los valores de entalpía debajo de 0 °C son negativos, se tiene que:

Entalpía específica del aire húmedo

La entalpía H de una mezcla de gases perfecta es la suma de las entalpías parciales de cada componente. De esta manera, la entalpía del aire húmedo puede ser escrita como:

Donde hda y hw son las entalpías específicas de aire seco y agua. Si dividimos entre la masa de aire seco mda se tiene que:

Donde h es la entalpía específica del aire.

Como usted sabe, la entalpía específica real del aire es la proporción entre la entalpía del aire y su masa total, sin embargo. Por cuestiones de uso práctico, en psicrometría la humedad específica del aire es la proporción entre la entalpía del aire por cada unidad de masa de aire seco. En la realidad, la masa de aire seco y la masa total son muy parecidas por lo que sus valores no difieren demasiado como para alterar drásticamente algún cálculo, pero es importante diferenciar estos valores mediante el subíndice (da) en la unidad de masa; en pocas palabras, la unidad de medida de la entalpía específica es el kJ/kgda.

Despejando la ecuación 1.5.1.1a en la Ecuación 1.6.7b se tiene que:

Ahora, si el aire no está saturado, la entalpía del aire se puede calcular despejando esta ecuación junto con la ecuación 1.6.7.1d y 1.6.7.2a con lo que se llega a la ecuación general de la entalpía del aire húmedo:

Si despejamos con los valores antes mencionados se tiene que:

En caso de que el aire se haya saturado, la razón de humedad del aire será igual o superior a la de saturación, el aire tendrá una parte saturada y el resto del agua se quedará en estado líquido o sólido. Físicamente, esta agua no pertenece a la mezcla de aire, pero está contenida en él, este valor es importante ya que esa entalpía no se ha perdido, pero tampoco se quedó en la mezcla de gases, y se debe tener en cuenta durante el cálculo de cualquier proceso psicrométrico.

En ambos casos la entalpía del aire es:

Si se combina la ecuación 1.6.7.3f con la ecuación 1.6.7.1b y 1.6.7.2b se tiene que la entalpía para el aire con agua enestado líquido es:

Que con valores es:

Finalmente, si el aire contiene agua en estado sólido, se combina la ecuación 1.6.7.3f con la ecuación 1.6.7.1b y la ecuación

1.6.7.2c. Dando como resultado:

Que con valores es:

Ecuación psicrométrica del volumen específico

Como ya se mencionó antes el volumen específico del aire no hace referencia al volumen del aire sobre la masa total de aire, sino al volumen del aire sobre la masa de aire seco, por lo tanto, teniendo en cuenta la ecuación 1.1a:

Donde,

v = volumen total de la mezcla de aire (m^3)

m_da = masa total del aire seco (m_da)

n_da = número de moles de aire seco (kmol)

Con la ecuación 1.6.4a se tiene que:

Ahora, de la ecuación 1.1b se tiene que:

Usando la ecuación 1.6.4d, se tiene que:

Que en valores es:

Donde,

v = volumen específico del aire (m^3/kg_da)

t = temperatura de bulbo seco (°C)

p = presión atmosférica (kPa)

W = razón de humedad (kg_da/kg_w)

PROBLEMAS

1. ¿- Cuál es la temperatura del punto de condensación?

R= La temperatura del punto de condensación es la temperatura en la cual la condensación comienza cuando el aire se refresca en la presión constante.

2.-Andrés y Wendy ambos vidrios del desgaste. En un día de invierno frío, Andrés viene del exterior frío y entra en la casa caliente mientras que Wendy sale de la casa y va afuera. ¿De quién son los vidrios más probables ser empañados? Explique.

R= La temperatura de sus vidrios puede estar debajo de la temperatura del punto de condensación del cuarto, causando la condensación en la superficie de los vidrios.

3. - En verano, la superficie externa de un vidrio llenado del helado del agua suda con frecuencia. ¿Cómo puede usted explicar este sudar?

R= La temperatura superficial externa del vidrio puede caer debajo de la temperatura del punto de condensación del aire circundante, haciendo la humedad en la vecindad del vidrio condensar. Un poco después, el condensado puede comenzar a gotear abajo debido a gravedad.

4. - En algunos climas, la limpieza del hielo del parabrisas de un coche es una tarea común el mañanas del invierno. Explique cómo las formas del hielo en el parabrisas durante algunas noches incluso cuando no hay lluvia o nieve.

R= Cuando la temperatura baja debajo de la temperatura del punto de condensación, rocíe las formas en las superficies externas del coche. Si la temperatura está debajo de 0°C, el rocío congelará. En las temperaturas muy bajas, la humedad en el aire congelará directamente en las ventanas de coche.

5. ¿- Cuándo son las temperaturas de bulbo seco y del punto de condensación idénticas?

R= Cuando se satura el aire (higrometría del 100%).

6. ¿- Cuándo son las temperaturas adiabáticas de la saturación y del bulbo húmedo equivalentes para el aire atmosférico?

R= Estos dos son aproximadamente iguales en las temperaturas y la presión atmosféricas.

7.-Una casa contiene el aire en 25°C y el 65 por ciento de higrometría. ¿Humedad condensará en las superficies internas de las ventanas cuando la temperatura de la ventana cae a 10°C?

Las asunciones el aire y el vapor de agua son gases ideales. El análisis la presión de vapor Pv es uniforme en la casa, y su valor puede ser resuelto de

La temperatura del punto de condensación del aire en la casa es:

8.-Una persona que usa los vidrios incorpora un cuarto caliente en una temperatura especificada e higrometría del frío al aire libre. Debe ser determinado si los vidrios conseguirán empañados.

Las asunciones el aire y el vapor de agua son gases ideales.

El análisis la presión de vapor Vp del aire en la casa es uniforme en todas partes, y su valor puede ser resuelto de

La temperatura del punto de condensación del aire en la casa es:

9.- Una persona que usa los vidrios incorpora un cuarto caliente en una temperatura especificada e higrometría del frío al aire libre. Debe ser determinado si los vidrios conseguirán empañados.

Las asunciones el aire y el vapor de agua son gases ideales.

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La temperatura del punto de condensación del aire en la casa es:

10.- Una mujer bebe una soda conservada fresca en un cuarto en una temperatura especificada y una higrometría. Debe ser determinado si la poder sudará.

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El análisis la presión de vapor Pv del aire en la casa es uniforme en todas partes, y su valor puede ser resuelto de

La temperatura del punto de condensación del aire en la casa es: