Propiedades del Aire Húmedo | Humedad, Entalpía y Densidad

Propiedades del aire húmedo: comprende la humedad, entalpía y densidad del aire, y cómo estos factores afectan el clima y los sistemas de calefacción.

Propiedades del Aire Húmedo: Humedad, Entalpía y Densidad

El aire húmedo es una mezcla de aire seco y vapor de agua. Comprender sus propiedades es crucial en varias ramas de la física y la ingeniería, especialmente en la climatización y la meteorología. Este artículo describirá tres de las propiedades más importantes del aire húmedo: la humedad, la entalpía y la densidad. A través de bases teóricas y fórmulas fundamentales, exploraremos cómo se miden y cómo influyen en diferentes aplicaciones prácticas.

Humedad

La humedad se refiere a la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Se mide de varias maneras, y cada una proporciona una perspectiva diferente sobre el contenido de humedad del aire.

• Humedad Absoluta (HA): Es la masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire y se expresa en g/m³. Puede calcularse utilizando la siguiente fórmula:
  $\text{HA} = \frac{m_w}{V}$,
  donde $m_w$ es la masa del vapor de agua y $V$ es el volumen del aire.
• Humedad Relativa (HR): Es la relación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de vapor de agua a la misma temperatura. Se expresa como un porcentaje y se calcula con la fórmula:
  $\text{HR} = \left( \frac{P_{v}}{P_{vs}} \right) \times 100$ ,
  donde $P_{v}$ es la presión parcial del vapor de agua y $P_{vs}$ es la presión del vapor saturado a la misma temperatura.
• Humedad Específica (HE): Es la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco y se expresa en g/kg. La fórmula utilizada para calcularlo es:
  $\text{HE} = \frac{m_w}{m_a}$ ,
  donde $m_w$ es la masa de vapor de agua y $m_a$ es la masa de aire seco.

Entalpía

La entalpía del aire húmedo es una medida de la energía total del sistema, considerando tanto el aire seco como el vapor de agua. Se expresa en kJ/kg y es crucial para procesos que involucran transferencia de calor. La entalpía total del aire húmedo ($h_{aire\ húmedo}$) se puede calcular sumando la entalpía del aire seco ($h_{ai}$) y la entalpía del vapor de agua ($h_{v}$):

$h_{aire\ húmedo} = h_{ai} + h_{v}$

Para calcular la entalpía específica del aire seco, se utiliza la siguiente fórmula:
$h_{ai} = C_p \cdot T$,
donde $C_p$ es la capacidad calorífica a presión constante del aire seco (aproximadamente 1.005 kJ/kg·K) y $T$ es la temperatura absoluta en Kelvin.

La entalpía específica del vapor de agua se obtiene sumando la entalpía de vaporización del agua ($h_{g}$) y el producto de la capacidad calorífica del vapor ($C_{pv}$) y la temperatura:
$h_{v} = h_{g} + C_{pv} \cdot T$,
donde $h_{g}$ es aproximadamente 2500 kJ/kg y $C_{pv}$ es aproximadamente 1.84 kJ/kg·K.

Densidad

La densidad del aire húmedo es la masa por unidad de volumen. Esta es una propiedad fundamental que afecta el diseño de sistemas de ventilación y climatización. La densidad depende tanto de la densidad del aire seco como de la densidad del vapor de agua. La densidad del aire húmedo ($\rho_{aire\ húmedo}$) se calcula usando la siguiente fórmula:

$\rho_{aire\ húmedo} = \rho_{a} (1 + \text{HE})$,
donde $\rho_{a}$ es la densidad del aire seco y $\text{HE}$ es la humedad específica del aire.

La densidad del aire seco ($\rho_{a}$) se puede calcular utilizando la ecuación del gas ideal:
$\rho_{a} = \frac{P_a}{R_a \cdot T}$,
donde $P_a$ es la presión del aire seco, $R_a$ es la constante de gas específico para el aire seco (aproximadamente 287 J/kg·K), y $T$ es la temperatura en Kelvin.

Considerando que $P_{total} = P_{a} + P_{v}$ (donde $P_{total}$ es la presión total del aire húmedo y $P_{v}$ es la presión parcial del vapor de agua),
la densidad del aire húmedo también se puede expresar como:

$\rho_{aire\ húmedo} = \frac{P_{total} – P_{v}}{R_a \cdot T} + \frac{P_{v}}{R_{v} \cdot T}$,
donde $R_v$ es la constante de gas específico para el vapor de agua (aproximadamente 461.5 J/kg·K).