Mezclas no reactivas

Aire Seco y Aire Atmosférico 

El aire es una mezcla de nitrógeno, oxigeno y pequeñas cantidades de otros gases. Normalmente, el aire en la atmósfera contiene cierta cantidad de vapor de agua (o humedad) y se conocen como aire atmosférico. en contraste, el aire que no contiene vapor de agua se denomina aire seco.

La temperatura del aire en aplicaciones de acondicionamiento de aire varia de -10 a cerca de 50°C. En este intervalo, el aire seco puede tratarse como un gas ideal con un valor Cp constante de 1.005 kJ/kg*K [0.240 Btu /lbm*R] con un error insignificante (menor a 0.2%), como se ilustra en la siguiente figura.

Si se toma como temperatura de referencia los 0°C, la entalpía y el cambio de entalpía de aire seco se determinan por:

Donde T es la temperatura en °C y delta T es el cambio en la temperatura.


Por separado el aire seco y el aire atmosféricos pueden ser vistos como gases ideales, donde la presión se puede medir sumando la presión parcial del aire seco (Pa) y la del vapor de agua (Pv):

P=Pa+Pv     (kPa)

Humedad especifica y relativa del aire


La cantidad de vapor de agua en el aire puede determinarse de varias maneras. Es probable que la mas lógica sea precisar directamente la masa de vapor de agua presente en una unidad de masa de aire seco, a la que se denomina humedad absoluta o especifica (conocida también como relación de humedad) y que se representa por medio de w:

Donde P es la presión total.
Denominamos aire saturado, cuando este tiene tanta humedad que ya no puede contener mas.

La cantidad de humedad en el aire tiene un efecto definitivo en las condiciones de comodidad que ofrece un ambiente. sin embargo, el nivel de comodidad depende mas de la cantidad que ofrece un ambiente, sin embargo, el nivel de comodidad depende mas de la cantidad de humedad que el aire contiene (mv) respecto a la cantidad maxima de humedad que el aire puede contener a la misma temperatura (mg). La relacion entre estas dos cantidades se conoce como humedad relativa Φ.

Si se combina las ecuaciones de la humedad especifica y la humedad relativa, obtenemos:

La entalpía total (una propiedad extensiva) del aire atmosférico es la suma de las entalpías del aire seco y del vapor de agua:

H = Ha + Hv = maha + mvhv

Al dividir por ma se obtiene:

Temperatura de punto de roció
La temperatura de punto de roció Tpr se define como la temperatura a la que se inicia la condensación si el aire se enfría a presión constante. En otras palabras Tpr es la temperatura de saturación del agua correspondiente a la presión de vapor.

La temperatura del punto de roció del aire del ambiente se determina con facilidad si se enfría un poco de agua en una copa metálica y s ele añade una pequeña cantidad de hielo para luego agitarla. La temperatura de la superficie exterior de la copa, cuando empieza a formarse roció sobre la superficie, es la temperatura del punto de roció del aire.


Temperaturas de saturación adiabática y de bulbo húmedo
Otra manera de determinar la humedad absoluta o relativa se relaciona con un proceso de saturación adiabática, mostrado de manera esquemática y en un diagrama T-s en la siguiente figura:

El sistema se compone de un canal largo aislado que contiene una pila de agua. Por el canal se hace pasar un flujo estacionario de aire saturado que tiene una humedad especifica w1 (desconocida) y una temperatura de T1. cuando el aire fluye sobre el agua, un poco de esta se evapora y se mezcla con el flujo de aire. El contenido de humedad del aire aumentara durante este proceso y su temperatura descenderá, puesto que parte del calor latente de vaporización del agua que se evapora provendrá del aire. Si el canal tiene un largo suficiente, el flujo de aire saldrá como aire saturado (humedad relativa = 100%) a la temperatura T2, que se llama temperatura de saturación adiabática.


Si se suministra agua de reposición al canal a la razón de eveporación y a la temperatura T2, el proceso de flujo estacionario. El proceso no incluye interacciones de calor o trabajo, y los cambios de la energía cinética y potencial pueden ignorarse. De modo que las relaciones de la conservación de la masa y de la conservación de la energía para este sistema de flujo estacionario de dos entradas y una salida se reduce a lo siguiente:


Balance de masa:

Balance de energía:

Al dividir entre el flujo de masa del aire seco:

Puesto que Φ2 = 100%.


Un planteamiento mas practico consiste en emplear un termómetro cuyo bulbo este cubierto con una mecha de algodón saturada con agua, y soplar aire sobre ella tal, como se muestra en la siguiente figura.

La temperatura medida de esta manera se denomina temperatura de bulbo húmedo Tbh, y se emplea comúnmente en aplicaciones de acondicionamiento.






La carta psicrométrica
El estado del aire atmosférico a una presión especificada se establece por completo mediante dos propiedades intensivas independientes. El resto de las propiedades se calcula fácilmente a partir de las relaciones anteriores. El dimensionamiento de un sistema común de aire acondicionado implica un gran numero de esos cálculos, lo que con el tiempo afecta los nervios del mas paciente de los ingenieros. Para evitarnos esto utilizamos gráficas que reciben el nombre de cartas psicrométricas, y se utilizan en aplicaciones de acondicionamiento de aire. Las características mas importantes de la carta psicrométrica se presentan en la siguiente figura.

Las temperaturas de bulbo seco se muestran sobre el eje horizontal y la humedad especifica sobre el eje vertical. (Algunas cartas también muestran la presión de vapor sobre el eje vertical ya que para una presión fija P existe una correspondencia de uno a uno  entre la humedad especifica w y la presión de vapor Pv) En el extremo izquierdo de la carta se observa una curva (llamada línea de saturación) en lugar de una línea recta. Todos los estados de aire saturado se localizan en esta curva. Por lo tanto, es también la curva de un 100% de humedad relativa.

Otras curvas de humedad relativa constante tienen la misma forma general.

Las líneas de temperatura de bulbo húmedo constante tienen una apariencia descendente hacia la derecha. Las líneas de volumen específico constante (en m^3/Kg de aire seco) parecen similares, salvo que son más inclinadas. Las líneas de entalpía constante (en kJ/kg de aire seco) están casi paralelas a las líneas de temperatura de bulbo húmedo constante en algunas cartas se emplean como líneas de entalpía constante.

Para aire saturado, las temperaturas de bulbo seco, de bulbo húmedo y de punto de rocío son idénticas.

 Por ende, la temperatura de punto de rocío del aire atmosférico w en cualquier punto sobre la gráfica se determina al dibujar una línea horizontal (una línea de w = constante o Pv = constante) desde el punto hasta la curva saturada. El valor de la temperatura en el punto de intersección es la temperatura de punto de rocío.

La carta psicométrica también es una valiosa ayuda en la visualización de los procesos de acondicionamiento de aire. Un proceso de calentamiento o enfriamiento ordinario, por ejemplo, aparecerá como una línea horizontal en esta carta si no se incluye humidificación (es decir, w = constante). Cualquier desviación de la línea horizontal indica que durante el proceso se añade o se extrae humedad al o del aire.




Procesos de acondicionamiento de aire
Para mantener una vivienda o una construcción industrial a la temperatura y humedad deseadas son necesarios algunos procesos definidos como "acondicionamiento del aire". Estos procesos incluyen el calentamiento simple (elevar la temperatura), el enfriamiento simple (reducir la temperatura), la humidificación (agregar humedad) y la deshumidificación (eliminar humedad). algunas veces dos o mas de estos procesos son necesarios para llevar el aire al nivel de temperatura y humedad que se desea.
Diversos procesos de acondicionamiento de aire se ilustran en la carta psicrométrica en la siguiente figura.

Advierta que los procesos de calentamiento y enfriamiento simple aparecen como lineas horizontales en esta gráfica, puesto que el contenido de humedad del aire permanece constante (w = constante) durante estos procesos. El aire se calienta y humidifica en el invierno y se enfría y deshumidifica en el verano.


La mayor parte de los procesos del acondicionamiento de aire pueden modelarse como procesos de flujo estacionario, y por lo tanto, la relación de balance de masa entre la salida y la entrada se expresa para el aire seco y el agua como:

Despreciando los cambios de energía cinética y potencial, la relación de balance de energía de flujo estacionario puede expresarse en este caso como:

El termino "trabajo" por lo general consiste en el trabajo del ventilador, que es muy pequeño respecto a otros términos de la ecuación de la energía.