¿Has oído alguna vez eso de que llueven ranas? No te creas que es una leyenda, tiene su explicación científica.
Las trombas marinas y los tornados terrestres, provocadas por un sistema de alta presión que precede a una tormenta eléctrica severa, crean un túnel de baja presión dentro de un cono de alta presión. Esta es la razón por la que recoge los elementos de peso relativamente bajo en su camino: las vacas, las casas rodantes y los automóviles son absorbidos por el vacío del vórtice. Las trombas y tornados absorben los elementos de menor peso a medida que se mueven sobre el agua o sobre la tierra. Las ranas y sapos pequeños que, con frecuencia se concentran por miles en las épocas en las que se producen estos fenómenos meteorológicos, son bastante ligeras y pueden terminar en el vórtice, que continúa moviéndose junto con las nubes, las cuales finalmente, liberan el agua que llevan. A medida que cae la lluvia, el vórtice libera todo lo que ha recogido en sus viajes. A veces, entre estos pasajeros están las ranas u otros animales minúsculos, que si no han muerto congelados (cada 100 m de altura baja 1 ºC la temperatura) acaban estampados contra el suelo. Pero a veces sobreviven. Es la forma en la que la naturaleza ofrece viajes gratis y una nueva vida.
Se denomina aire húmedo a la mezcla de aire seco y vapor de agua. Sus propiedades y transformaciones son fundamentales en la técnica del acondicionamiento de aire, principalmente la climatización, ya que este es el fluido de trabajo que evoluciona tanto en el interior de una Unidad de Tratamiento de Aire(UTA) como de los locales o zonas tratadas. Las ecuaciones que definen los distintos estados del aire húmedo sirven para calcular analíticamente los parámetros que representan el estado del aire. También se utilizan para trazar las familias de curvas que representan estos parámetros en los diagramas psicrométricos que veremos más adelante.
La humedad del aire se debe al vapor de agua que se encuentra presente en la atmósfera. El vapor procede de la evaporación de los mares y océanos, de los ríos, los lagos, las plantas y otros seres vivos. La cantidad de vapor de agua que puede absorber el aire depende de su temperatura. El aire caliente admite más vapor de agua que el aire frío.
El vapor de agua tiene una densidad menor que la del aire, por tanto, el aire húmedo (mezcla de aire y vapor de agua) es menos denso que el aire seco. Por otra parte, las sustancias al calentarse se dilatan, lo que les confiere menor densidad. Todo ello hace que el aire caliente que contiene vapor de agua se eleve en la atmósfera terrestre. La temperatura de la atmósfera disminuye alrededor de 1 ºC cada 100 m de altitud. Por eso, al llegar a zonas más frías el vapor de agua se condensa y forma las nubes (de gotas de agua o cristales de hielo). Cuando estas gotas de agua o cristales de hielo se agrupan y pesan demasiado, caen y originan las precipitaciones en forma de lluvia o nieve.
Ecuación Fundamental de la Psicrometría
La relación de las diferentes magnitudes del aire húmedo viene dada por la Ecuación Fundamental de la Psicrometría, la cual puede deducirse a partir de la Ecuación de los Gases Perfectos y la Ley de Dalton. En esta ecuación diferenciamos la presión del vapor de agua de la presión del aire seco.
Esta es una ecuación con suficiente aproximación al comportamiento real del aire húmedo a las temperaturas usuales en calefacción y climatización. La humedad relativa Hr va en tanto por 1, las presiones P (atmosférica) y pws (vapor de agua saturado) en las mismas unidades (pueden ser en Pa, atm, mm, cda, etc.) y la humedad específica w en kg/kg de aire seco. Es muy interesante la utilización de w en las unidades mencionadas, porque en los procesos en los que interviene el aire húmedo, la cantidad de aire seco permanece constante.
Presión del vapor de agua a distintas temperaturas
A la presión atmosférica (aproximadamente igual a 1 013 hPa) el agua hierve a 100 ºC, por lo tanto, la presión del vapor de agua a esa temperatura es justamente los 1013 hectopascales. A 50 ºC, esta presión baja a 123 hPa, aproximadamente 0,12 atm. Por ello el agua no hierve a 50 ºC, ya que la presión atmosférica es mayor que la presión del vapor de agua y las moléculas líquidas no son capaces de pasar al estado vapor.
Variación de la presión con la altura
Según vemos en el gráfico, la presión atmosférica disminuye con la altura sobre el nivel del mar. Este hecho influye en el rendimiento de muchas máquinas térmicas. Por ejemplo, las centrales eléctricas, que no son otra cosa que grandes máquinas térmicas, siempre se ubican en altitudes bajas por varias razones. Una de ellas es la mayor densidad del aire y su mayor presión.
¿Sabías que a 19 km de altura, si no nos presurizamos dentro de un traje, nuestra sangre herviría a la temperatura corporal. No nos moriríamos de frío, sino por la evaporación inmediata de nuestra sangre. Este es el llamado límite de Armstrong.
Variación de presión con la altura
Un climatizador, también llamado Unidad de tratamiento del aire (UTA, en la normativa española), es el aparato fundamental en el tratamiento del aire en las instalaciones de climatización, en cuanto a los caudales correctos de ventilación (aire exterior), limpieza (filtrado), temperatura (calentamiento o enfriamiento) y humedad (humectando en invierno y deshumectando en verano).
El límite de Armstrong es la altitud que produce que la presión atmosférica sea tan baja (0.0618 atmósfera) que el agua hierva a la temperatura normal del cuerpo humano: 37 °C. Este enómeno, que ocurre a una altitud sobre la cual el humano no puede sobrevivir en un ambiente despresurizado. La altura ha sido establecida entre los 18 900-19 350 metros.
Ejercicio Resuelto
1.- Tomamos aire del exterior a 20 ºC y una humedad relativa del 70 %, si se calienta hasta 40 ºC, admitiendo que no se toma vapor de agua, ¿cuál será su estado higrométrico a la presión atmosférica normal?
