Psicrometría | Humedad, Entalpía y Propiedades del Aire

Psicrometría: Aprende sobre humedad, entalpía y propiedades del aire. Entiende cómo se mide y afecta el confort y la eficiencia energética en distintas aplicaciones.

Psicrometría | Humedad, Entalpía y Propiedades del Aire

La psicrometría es una rama de la física que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo y mezcla de vapor de agua. Este campo es vital en aplicaciones como la climatización, la refrigeración y la meteorología, entre otras. En este artículo, exploraremos conceptos básicos relacionados con la humedad, la entalpía y las propiedades del aire.

Humedad

La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Se puede expresar de varias formas, siendo las más comunes la humedad absoluta, la humedad relativa y la humedad específica.

• Humedad Absoluta: La humedad absoluta se refiere a la masa de vapor de agua presente en un metro cúbico de aire (g/m³). Aunque es una medida directa, no es muy utilizada porque puede variar significativamente con la temperatura.
• Humedad Relativa: La humedad relativa (HR) es la razón entre la presión parcial del vapor de agua presente y la presión de vapor de agua en condiciones de saturación a la misma temperatura, expresada como un porcentaje. Matemáticamente, se puede expresar como:
  \[ HR = \frac{e}{e_s} \times 100 \]
  donde \(e\) es la presión parcial del vapor de agua y \(e_s\) es la presión de vapor de saturación.
• Humedad Específica: La humedad específica es la masa de vapor de agua por unidad de masa de aire seco. Se expresa en gramos de vapor de agua por kilogramo de aire seco (g/kg).

Entalpía

La entalpía (H) es una medida de la energía total en un sistema termodinámico. En términos de aire húmedo, la entalpía incluye la energía asociada tanto con el aire seco como con el vapor de agua. Para el aire húmedo, la entalpía específica se puede calcular con la siguiente fórmula:

\[ H = c_{pa} \cdot T + w \cdot (c_{pv} \cdot T + L_v) \]

donde:

• \(c_{pa}\) es el calor específico del aire seco (aproximadamente 1.005 kJ/kg·K).
• \(T\) es la temperatura en Kelvin.
• \(w\) es la relación de mezcla de vapor de agua (humedad específica).
• \(c_{pv}\) es el calor específico del vapor de agua (aproximadamente 1.86 kJ/kg·K).
• \(L_v\) es el calor latente de vaporización del agua (aproximadamente 2501 kJ/kg).

La entalpía es clave en el análisis de sistemas de climatización y refrigeración, donde se busca mantener las condiciones de confort y eficiencia energética.

Propiedades del Aire Húmedo

Las propiedades del aire húmedo son determinantes para cualquier análisis psicrométrico. Aquí discutimos algunas de las propiedades más relevantes:

• Densidad del Aire: La densidad (\(\rho\)) del aire depende de la presión (P), la temperatura (T) y la composición del aire. La ecuación de estado para el aire húmedo puede expresarse como:
  \[ \rho = \frac{P}{R_d \cdot T} \]
  donde \(R_d\) es la constante de gas para el aire seco (aproximadamente 287 J/kg·K).
• Punto de Rocío: El punto de rocío es la temperatura a la cual el aire se enfría hasta que se satura completamente, es decir, cuando comienza la condensación. Es una medida importante para evaluar el confort humano y evitar la formación de moho en construcciones.

Teoría y Fórmulas de Psicrometría

En psicrometría, se utilizan varias ecuaciones y diagramas para determinar las propiedades del aire húmedo. El diagrama psicrométrico es una herramienta visual muy útil que muestra las relaciones entre temperatura, humedad relativa, entalpía y otras propiedades del aire.

Algunas relaciones importantes en psicrometría incluyen:

1. Calor Sensible: Es el calor asociado con el cambio de temperatura de una sustancia sin un cambio en su fase. Se calcula como:
   \[ Q_s = m \cdot c_{pa} \cdot \Delta T \]
   donde \( Q_s \) es el calor sensible, \( m \) es la masa del aire, \(c_{pa}\) es el calor específico del aire y \( \Delta T \) es el cambio de temperatura.
2. Calor Latente: Es el calor asociado con el cambio de fase de una sustancia a temperatura constante. En el caso del aire húmedo, se refiere al calor requerido para vaporizar o condensar el vapor de agua:
   \[ Q_l = m_{v} \cdot L_v \]
   donde \( Q_l \) es el calor latente, \( m_{v} \) es la masa del vapor de agua y \( L_v \) es el calor latente de vaporización.

Un proceso comúnmente analizado en psicrometría es el de mezclado del aire, donde dos corrientes de aire con propiedades diferentes se combinan para formar una nueva mezcla. Las propiedades finales de la mezcla se pueden calcular como:

• Temperatura de Mezcla:
  \[ T_m = \frac{m_1 \cdot T_1 + m_2 \cdot T_2}{m_1 + m_2} \]
• Humedad Específica de la Mezcla:
  \[ w_m = \frac{m_1 \cdot w_1 + m_2 \cdot w_2}{m_1 + m_2} \]

Estas ecuaciones asumen que no hay transferencia de calor con el entorno y que el proceso se realiza a presión constante.