HUMEDAD RELATIVA Y ABSOLUTA
INTRODUCCIÓNCuando se habla de humedad en climatización siempre se refiere a la cantidad de partículas de agua que se encuentran en suspensión en el aire. Pero este concepto deja de ser tan sencillo cuando intervienen los cambios de temperatura (función principal de la climatización) que tienen una relación directa con dos conceptos: el de temperatura y el de humedad.
AIRE
Masa compuesta por diversos gases en cantidad variable, siendo sus principales componentes y proporción los que se indican a continuación:
HUMEDAD
Es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire en un momento determinado.
HUMEDAD ABSOLUTA
Es la cantidad de agua en peso que tiene en un volumen de aire expresada en gramos por kilogramo de aire seco o en gramos por metro cúbico de aire.
EJEMPLO: Si se tiene un volumen de aire seco de 1m³ (imaginemos una urna de cristal que cada uno de sus lados mide un metro) y se introducen 10 gramos de agua en su interior (el agua se vaporiza con un pulverizador de los usados para las plantas), el volumen de aire absorberá esa cantidad de agua quedando un aire mas húmedo. En este ejemplo el valor de humedad absoluta sería 10 gramos x m³.
HUMEDAD RELATIVA
Cualquier masa de aire es capaz de absorber una cierta cantidad de agua en suspensión. La cantidad máxima que puede mantener dependerá de la temperatura de la masa de aire.
La humedad relativa indica la relación entre la cantidad de agua en suspensión que tiene un volumen de aire y la cantidad máxima de vapor de agua en suspensión que podría llegar a tener ese volumen de aire para el valor de temperatura al que se encuentra.
EJEMPLO: Se tiene 1 m³ de aire que debido a su temperatura podría mantener en suspensión 20 gramos de vapor de agua pero solamente mantiene 10 gramos de vapor de agua. Esto indica que el aire está a la mitad de su capacidad, es decir, que se tiene un 50% de humedad relativa.
En la práctica para obtener los valores de Humedad Relativa (HR) se aplicara cualquiera de estas dos fórmulas porque aunque sean nombres distintos el concepto es el mismo:
HR = (Presión vapor / Presión saturación)*100
HR = (Humedad absoluta / Valor de saturación)*100
El valor que se obtenga se multiplica por 100 para dar los valores en tanto por cien y no en tanto por uno como sale directamente de la aplicación de la formula. No obstante sería un valor perfectamente válido, pero que nunca se utiliza, pues la humedad relativa se acostumbra a expresar en tanto por ciento.
APRECIACIÓN DE LA HUMEDAD
Las personas solamente son sensibles a las humedades relativas, no siendo capaces de detectar variaciones en las humedades absolutas.
PRESIÓN
Introducción
La presión indica qué cantidad de fuerza se está ejerciendo sobre un cuerpo por unidad de superficie del propio cuerpo. Se estudiara la presion en los fluidos, tanto líquidos como gaseosos. Éstos son elementos que carecen de forma y producen presión en el recinto que los contiene dirigiéndose en todas direcciones, debido a que sus moléculas tratan de extenderse lo máximo posible. Si se encierran en un recinto pequeño ejercerán una fuerza para intentar salir del recinto que los contiene. A esta fuerza se le llama presión. Hay que tener presentes dos principios básicos:
- Si se tiene una presión en un recipiente y se aumenta la cantidad de sustancia dentro de éste, se produce un aumento de presión que se transmite por igual a todas las paredes que forman el recipiente de contención.
- Si se produce un aumento de presión ésta se transmite inmediatamente a todo el recipiente por igual.
Manómetro
Son los elementos utilizados para medir la presión en los circuitos hidráulicos y frigoríficos. Los manómetros más utilizados son los mecánicos que consisten en una escala graduada en la que una flecha indica un valor de presión Su funcionamiento mecánico consiste en una pequeña espiral que por efecto de la presión se desenrolla. El ejemplo más parecido es un matasuegras de los utilizados en las fiestas que cuando se sopla se desenrolla, enrollándose de nuevo cuando se deja de generar presión con el soplido. Actualmente se utilizan algunos manómetros digitales aunque su presencia es simbólica.
CÁLCULO DE PRESIONES
La fórmula que se utiliza para obtener la presión que soporta un cuerpo es la siguiente: P=F/S
P= Presión.
F= Fuerza.
S=Superficie
EJEMPLO 1: Si se apoya sobre un palo de un centímetro cuadrado un paquete que contiene una sustancia que pesa un kilo, la presión que está soportando el palo es de un kilo por centímetro cuadrado. Esta presión la se obtendrá de dividir el peso que aguanta entre la superficie. Se obtiene el siguiente resultado:
P = 1 kg / 1 cm² = 1 kg/cm² (un kilogramo por centímetro cuadrado)
EJEMPLO 2: Si ahora se apoya sobre un palo de 4 cm² un paquete que contiene una sustancia que pesa 8 kilos, la presión que esta soportando cada centímetro cuadrado del palo es igual a dividir el peso total entre la superficie. Se obtiene el siguiente resultado:
P = 8 kg / 4 cm² = 2 kg/cm² (dos kilogramos por centímetro cuadrado)
UNIDADES DE MEDIDA
La unidad más utilizada para indicar la presión es kg/cm², aunque se tienen otros tipos de unidades que también son válidos y que además se pueden convertir entre sí.
Las unidades de presión que se pueden encontrar son las siguientes:
Metros de columna de agua Un metro de columna de agua equivale a 0.1 kg/cm². Esto es debido a que la presión que ejerce un metro de agua sobre un cuerpo que esté debajo es igual a 100g/cm². Estas unidades se utilizan cuando se quiere saber la presión que se tiene debida a la altura de edificios.
EJEMPLO 1: Si se esta buceando a una profundidad de 10 metros el agua que se tiene encima de la cabeza está ejerciendo una presión sobre la misma de 1 kg.
EJEMPLO 2: Un edificio de 10 metros (columna de agua) de altura. Las tuberías que llevan el agua al último piso soportan en la base una presión de 1 kg/cm².
Atmósferas Todos las personas están sometidas al peso que supone tener encima la atmósfera. Por lo tanto una atmósfera es la presión que todos soportan continuamente, una atmósfera es una presión equivalente a 1 kg/cm² (aproximadamente porque realmente sería 1,033 atmósferas = 1 kg/cm²).
Bares Se utilizan de igual forma que el kg/cm² puesto que son completamente equivalentes. Son igual 10 bares de presión que 10 kg/cm². Los bares son muy utilizados en meteorología. Los anticiclones o borrascas se generan por diferencias de presión en la atmósfera, pero como éstas son muy pequeñas se utilizan milibares. (1000 milibares son iguales a un 1 bar).
Libras/pulgadas o psi Es una medida inglesa que durante mucho tiempo fue la única unidad de medida utilizada para refrigeración, pero que hoy en día está en desuso por no pertenecer al sistema internacional. Desgraciadamente todavía se encuentran muchos equipos con manómetros en estas escalas. Su equivalencia es:
1 psi = 1 libra/pulgada cuadrada y 1 psi = 0.07 kg/cm²
Pascal o Newton/m2 Aunque son medidas que pertenecen al sistema internacional, no se utilizan por ser demasiado pequeñas, haciendo difícil su utilización cotidiana y obligando a trabajar con demasiados dígitos.
PRESIÓN RELATIVA Y ABSOLUTA
Para simplificar la explicación se pondrá como ejemplo una botella vacía que esta tapada con un corcho. La presión del interior de la botella seria de 1 atm pues antes de cerrarla estaba soportando la presión de la atmósfera (igual ocurre con las personas y con todos los elementos que están sobre la tierra) pero si se lleva esta misma botella a la luna y se le quita el corcho, sonara como si se abriera una botella de refresco pues ésta tenía en su interior una presión de 1 kg/cm² y se ha abierto en la luna, donde la presión atmosférica es nula. Cuando se lee la presión en un manómetro convencional éste indica antes de conectarlo 0 bares aunque se sabe que realmente debería de marcar una atmósfera. Este hecho es debido a que la medición que hacen es de presiones relativas que son aquellas en las que se desprecia la presión ejercida por la atmósfera. Si no se quisiera así se debería de especificar que se quiere un manómetro que mida presiones absolutas, que son aquellas que no desprecian la presión de la atmósfera. Normalmente se utilizan las presiones relativas.
INFLUENCIA DE LA PRESIÓN
Las condiciones de presión influyen en los cambios de estado. Cuando no se indica nada quiere decir que las condiciones de presión son condiciones estándar que corresponden con una presión de una atmósfera (a nivel del mar), que normalmente se tiene encima de las personas (en lo alto de una montaña no sería válido).
- Si baja la presión es más fácil que se consiga cambiar de estado.
- Si se sube la presión es más difícil que se consiga cambiar de estado.
El agua como elemento conocido se sabe que hierve a una temperatura de 100ºC si se encuentra a una altura cero (nivel del mar). Una forma de bajar la presión es eliminar parte de la atmósfera que esta encima del agua que se quiere hervir. Se conseguiría si se sube a lo alto de una montaña de 3000 metros donde el agua puede hervir a una temperatura de 89ºC puesto que se ha quitado 3000 metros de la atmósfera que normalmente se tiene encima. Este principio se utilizara más adelante cuando se quiera evaporar fluidos a bajas temperaturas.
Este principio lo utilizan las nuevas ollas rápidas que son envases herméticos que mediante una pesa consiguen que los alimentos estén sometidos a una presión de varias atmósferas. Con ello se consigue aumentar la presión y retrasar el punto de ebullición del agua a mucho más de 100ºC sometiendo a los alimentos a temperaturas de más de 100ºC en menos tiempo. Por ejemplo, si la presión alcanzada es de 10 bares el agua hierve a una temperatura de más de 180 ºC.
Válvula de seguridad: Elemento de seguridad que evita que si falla la válvula de saturación la olla aumente en exceso su presión pudiendo llegar a reventar.
PRESIÓN PARCIAL DE VAPOR-LEY DE DALTON
Según la ley de Dalton, la presión total de una mezcla de varios gases es igual a la suma de las presiones parciales que cada uno de los componentes ejercitaría, si a igualdad de temperatura ocupasen por sí solos el mismo volumen que la mezcla. En la mezcla aire-vapor de agua:
es presión atmosférica
es presión del aire es la presión parcial del vapor de agua.
VALOR DE SATURACIÓN DEL AIRE
SATURACIÓN DEL AIRE
Se dice que una masa de aire está saturada cuando no puede mantener en suspensión más cantidad de agua. La saturación se produce cuando la presión de vapor (presión producida por el peso de las gotitas de vapor que son absorbidas por una masa de aire) llega al valor de presión de saturación (valor de presión máximo producido por el peso de las gotitas de agua disueltas en el aire).
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA
La cantidad máxima de agua en suspensión que puede soportar un volumen de aire depende principalmente de su temperatura. Para poder saber el valor máximo se necesita una tabla de saturación de aire. Cualquier otro gas necesita su propia tabla de características de saturación, pues cada gas o mezcla de ellos tienen unos valores diferentes.
La temperatura del aire afecta de forma directamente proporcional a su capacidad para poder absorber moléculas de agua.
EJEMPLO 1: Un ejemplo que puede servir para recordar la influencia de la temperatura en el valor de saturación del aire, es el de un malabarista con pelotas de ping pong. Cuando tiene los músculos fríos solamente es capaz de mantener 3 pelotas en el aire pero cuando tiene los músculos calientes es capaz de mantener muchas pelotas a la vez. Sin embargo, si a nuestro personaje del ejemplo se le enfrian los músculos cuando tiene muchas pelotas en el aire la consecuencia será que se le caerán al suelo, puesto que no podrá mantenerlas todas en el aire.
El comportamiento que las partículas de aire tienen cuando están afectadas por la temperatura es similar al ejemplo anteriormente expuesto. Mientras más calientes están, las particulas más chocan entre ellas no permitiendo que las gotas de agua se precipiten. Por el contrario cuando estas se enfrían sus choques disminuyen permitiendo que algunas gotas caigan al suelo.
RESUMEN: Cuanta más alta es la temperatura de una masa de aire más alta es la capacidad que tiene ésta de poder absorber agua en suspensión. Cuanto más baja es la temperatura de una masa de aire más baja es su capacidad para poder absorber agua en suspensión.
TABLA DE SATURACIÓN
Es una tabla obtenida en laboratorio en la que se plasman los valores de saturación del aire a las distintas temperaturas del mismo. Se observa que cuando el aire se enfría la capacidad de mantener elementos en suspensión disminuye en gran medida y cuando se calienta la masa de aire el valor de saturación se hace muy grande.
UTILIDADES DE LA TABLA DE SATURACIÓN
Ésta es una tabla de doble entrada donde, si se conoce un valor cualquiera de uno de los ejes, sólo se tendrá que (de forma perpendicular desde el punto de referencia) trazar una perpendicular que corte a la tabla con las características del aire y se obtendra el otro valor.
Paso 1: Trazar una línea perpendicular al eje horizontal (línea roja), hasta que corte la curva de saturación.
Paso 2: Trazar una línea perpendicular al eje vertical (línea verde) que pase por el punto A que se ha obtenido en el paso 1.
EJERCICIOS DE RAZONAMIENTO SOBRE HUMEDADES
La finalidad de estos razonamientos es afianzar los conocimientos adquiridos con ejemplos de la vida cotidiana que no hemos podido explicar nunca. Se comenzara explicando fenómenos naturales que son debidos a estos principios:
Niebla. La niebla es un fenómeno que se suele dar con bastante frecuencia y especialmente en invierno. Uno de los lugares ideales para la formación de niebla es la vera de los ríos. Éstos siempre tienden a evaporar parte de la película superficial del cauce, especialmente en las horas centrales del día cuando el sol calienta incluso en invierno. Si se parte de una temperatura en la vera del río de 18ºC en la hora del mediodía, la humedad absoluta que se toma como valor será de 12 gramos de agua. Esto supone una humedad relativa del 50%. Pero, al igual que se vio en el ejemplo del malabarista, por la noche y de madrugada la temperatura baja a 0ºC siendo la humedad absoluta la misma pero no su valor de saturación que a 0ºC está muy por debajo de los 20 gramos de valor de saturación. Esto provoca que el aire empiece a deshacerse del agua sobrante. A este fenómeno lo conocemos como niebla. Otra gran pregunta que nos planteamos es, ¿por qué este momento dura tanto tiempo?. La respuesta está en que para que el agua llegue a condensarse desde el estado de vapor en el que se encontraba necesita ir cediendo energía, desapareciendo la niebla cuando el valor de saturación se coloca por encima de la humedad absoluta que tengamos en el aire. Este efecto no es exclusivo de veras también se puede dar en cualquier otra zona siempre y cuando tengamos bruscos cambios de temperatura.
Rocío y escarcha. El rocío puede producirse en dos condiciones distintas. La primera se origina después de haber aparecido la niebla cuando ésta ha eliminado el exceso de humedad dejándola caer al suelo. En el segundo caso se origina cuando la zona no tiene bastante de vapor de agua para producir niebla pero la saturación del aire es suficiente para provocar la condensación en las hojas y el suelo. Cuando se observa escarcha es porque después de condensarse el agua las fuertes bajadas térmicas que se producen especialmente por la noche congelaron el rocío. Vaho al respirar en invierno. Los seres vivos cuando expulsan el aire de la respiración lo exhalan más caliente, aproximadamente a 36 grados y cargado de humedad. El ambiente exterior está muy frío y cuando el aire caliente y húmedo se encuentra con el exterior bruscamente baja su temperatura, lo que provoca que la humedad contenida se condense formando el vaho de manera brusca. Las gotas de agua formadas desaparecen de inmediato absorbidas por el aire exterior, no llegando a caer al suelo. Condensación en los vasos fríos. Todo el mundo ha visto que los vasos de líquido cuando contienen fluidos fríos tardan poco tiempo en cubrir su exterior con pequeñas gotas de agua. Para imaginar lo que ocurre se tiene que acercar mucho al vaso como se ve en la figura. Alrededor del vaso se crea una zona fría y el aire en contacto con el vaso baja tanto su temperatura que el valor de saturación disminuye obligando al aire circundante al vaso a que se desprendan de parte de su humedad. El valor de saturación ha sido sobrepasado. Empañado del espejo del baño. Cuando se dan una ducha caliente en el cuarto de baño y especialmente cuando las paredes de éste se encuentran muy frías, primero el espejo y después los azulejos de las paredes se llenan de gotitas de agua. En este caso lo que ocurre es lo siguiente: se tiene una presencia muy abundante de agua en el aire del cuarto de baño, muy cercana incluso al valor de saturación del aire provocada por el agua que sale de la ducha y que en parte se evapora. Como los azulejos están fríos el aire circundante se enfría bruscamente bajando su temperatura. Se sabe que cuando la temperatura baja, el valor de saturación lo hace también, obligando al aire a desprenderse de parte del agua que tenía en suspensión quedando estas gotas pegadas a los azulejos y el espejo. ¿La calefacción reseca el aire? Alguna vez habran visto unos pequeños tarros de porcelana que se acostumbra a colocar en los radiadores de las calefacciones domésticas con la intención de que el aire no se reseque. La pregunta es si verdaderamente el aire se reseca en invierno o no. La respuesta es que sí se reseca y la secuencia sería la siguiente: el aire de la calle en invierno esta muy frío teniendo muy poca capacidad para mantener agua en suspensión (su valor de humedad absoluta es pequeño aunque la humedad relativa es alta por ser la temperatura exterior baja) y el aire de las casa que se esta renovando continuamente tiene una cantidad de humedad aproximadamente igual a la que tiene el aire de la calle, pero cuando se conecta la calefacción lo que se esta haciendo es subir la temperatura del local y aunque el valor de humedad absoluta que se tiene sigue siendo el mismo, se siente sequedad porque la humedad relativa se ha visto modificada en gran medida. Como puede apreciarse, la humedad relativa baja siempre que se calienta aire (siempre y cuando se mantenga la misma cantidad de humedad absoluta). Recuerden que los seres humanos solamente somos sensibles a los valores de humedad relativa y no a los de humedad absoluta, que en el ejemplo anterior sigue siendo la misma.
DIAGRAMA SICROMÉTRICO
INTRODUCCIÓN
El diagrama sicrométrico sirve para relacionar varios conceptos fundamentales en relación con el aire, como son: temperatura seca, temperatura húmeda, volumen a distintas temperaturas, humedad relativa, etc. Ahora que ya saben manejar el diagrama de saturación, será muy fácil entender el diagrama sicrométrico, pues el diagrama de saturación que se ha utilizado es una simplificación del sicrométrico. Aquí se ve el diagrama sicrométrico, únicamente es en la curva de saturación donde se aprecia que es prácticamente igual al diagrama de saturación del aire. Solamente cambia algo la forma, puesto que se ha cambiado el tipo de unidades utilizadas en cada eje.
DIAGRAMA SICROMÉTRICO COMPLETO
Aquí se muestra el diagrama sicrométrico completo. A este diagrama también se le denomina diagrama de aire húmedo y es válido para zonas que estén sometidas a una atmósfera de presión (nivel del mar). En otras zonas con diferentes alturas se darían pequeñas variaciones que no son significativas. No es una de las finalidades de este curso profundizar por completo en este diagrama, pero sí es necesario que se sepa una serie de valores característicos del aire y que se tenga muy presente que en climatización es muy frecuente el uso de diagramas y ábacos. Más adelante se utilizaran algún diagrama más complejo que no debería de causar ningún problema si se ha ido asimilando el uso de estos diagramas previos.
FUNCIÓN DE LAS LÍNEAS DEL DIAGRAMA
Para facilitar la asimilación de contenidos se van a basar las explicaciones del diagrama sobre dibujos reducidos que luego poco a poco se ira completando para conseguir seleccionar en la maraña de líneas del diagrama sicrométrico aquellas que sean de interés en cada momento.
Temperatura seca
La lectura de temperatura seca corresponde con el eje horizontal y las líneas perpendiculares a éste. Éste es el valor más significativo porque suele ser el valor que mas comúnmente se conoce, de los que componen las características de la masa de aire que se quiere estudiar. Esto es debido a que su obtención es relativamente sencilla al poderse tomar con un termómetro convencional.
La temperatura seca es la temperatura leída en un termómetro ordinario agitado al aire libre y protegido de la radiación solar. Se entiende por protegido de la radiación solar cuando se tiene en zona de sombra. La lectura de esta temperatura se hace sobre la escala horizontal de la parte baja del diagrama y se expresa en grados centígrados ºC. Cualquier valor que se encuentre en la misma línea vertical nos indica que el valor de temperatura es el mismo. Si se tiene una línea vertical todos los puntos contenidos en ella son valores de temperatura constantes. En ese caso se dice que esta línea es isotérmica ( temperatura constante ) vertical y esto indica que no hay variación térmica.
A las líneas que se mantienen a temperatura constante se las denomina isotérmicas.
Cantidad de agua o humedad absoluta
La lectura de cantidad de agua contenida corresponde con el eje vertical y las líneas perpendiculares a éste. Éste es uno de los valores que más comúnmente interesa conocer pero su obtención siempre es mediante el ábaco sicrométrico, pues los medidores habituales 28 de humedad sólo miden la humedad relativa y no la absoluta. Básicamente indica el peso del vapor de agua contenido en 1 kg de aire seco. Se lee en la escala vertical a la derecha del diagrama y se expresa en kilogramo de agua por kilogramo de aire (kg de agua/ kg de aire).
Humedad relativa
El valor de humedad relativa indicará la cantidad de vapor que esta contenida en el aire y del valor que podría llegar a tener si estuviera saturado.
El ábaco da el valor en porcentaje. Es la forma habitual en la que se refiere a la humedad relativa. Se obtiene de dividir el valor de vapor que tiene entre el que tendría saturado y se multiplica por 100.
Entalpía del aire
Indica la cantidad de energía que tiene una masa de aire debido a su propia temperatura y a la energía que necesita para cambiar de estado el vapor de agua que está disuelto en la masa de aire. También se define como suma de calores latentes y sensibles. Es la cantidad de calor necesario para elevar un kg de aire seco a un grado ºC. Se lee en la escala oblicua situada en la curva de saturación. Se desplaza según la misma recta que la temperatura húmeda y se expresa en kJ /kg del aire.
Temperatura húmeda
Es la temperatura indicada por un termómetro en el que el bulbo se encuentra envuelto en una gasa de algodón hidrófilo continuamente humedecido. Este termómetro deberá estar colocado en una zona donde la corriente de aire alcance un valor de 2 m/s. El aparato que sirve para medir la Ts y Th se llama psicómetro.
Para encontrar la temperatura húmeda trazamos líneas inclinadas sobre el eje horizontal hasta cortar la curva de saturación. La temperatura húmeda se lee a la derecha de la saturación del diagrama y se desplaza según una oblicua. Se expresa en ºC (grado Celcius).
Ejemplo: Si se tiene un aire saturado (curva de hr del 100%) el valor de temperatura seca y húmeda se ve que es el mismo. No hay variación. El aire saturado no enfría por evaporación el bulbo del termómetro que mide la temperatura húmeda.
Temperatura de rocío
Es la temperatura a la que se tiene que bajar el aire húmedo para que se sature y empiece a desprenderse de humedad en forma de rocío
EJEMPLO: Si se tiene una masa de aire y se enfria lentamente llegará un momento que empezará a aparecer niebla. Si en ese momento se mide la temperatura que tiene la masa de aire, se estaría tomando el valor de la temperatura de rocío.
Volumen (específico para cada temperatura)
Es el volumen que ocupa una masa de aire que está sometida a la presión atmosférica. El valor del volumen se expresa en m³/kg de aire (lo que indica que el volumen en m³ ocupa un kg de aire seco en unas condiciones concretas ). Las demás condiciones que figuran en el diagrama sicrométrico afectan al volumen.
Se lee en el diagrama sobre las líneas oblicuas. En algunos casos están colocadas en la parte baja del diagrama y en otros casos no figura la línea de referencia apareciendo solamente una pequeña marca que indica la inclinación que tendría la línea si viniera dibujada.
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FUENTES:
M.J.D.
ESTT - APUNTES
Aicvigo
