Ai A i r e At m o s f éri ér i c o : 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 Argón, helio, helio, neón, etc. etc.
0.03
0.046
0.93
1.284
Para efectos prácticos, puede considerarse la composición de 1 m 3 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 / m
3
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 m 3 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 / m 3 .
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 d el c ompor tamiento de los gases “ Ley de Boyle”
( PV = cte)
Pero en realidad el aire se encuentra con vapor de agua gases reales ( aire + H 2O).
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 m 3 / 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 0 º C como nivel de referencia, se sabe que entre 0 y 60 ºC: 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 h3 - h2
=
ma2 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
p
, T
h nivel del mar
Po , o , To
La presión ejercida por una columna de aire de altura h es:
P = x g x h
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