La humedad en el aire

La humedad en el aire

Un termohigrógrafo utilizado para medir sobre una banda de papel la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa.

La humedad en el aire se debe al vapor de agua que se encuentra presente en la atmósfera. El vapor de agua 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.
Una forma de medir la humedad atmosférica es mediante el higrómetro.
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 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 una media de 0,6 °C cada 100 m en adiabática húmeda, y 1,0 °C, en adiabática seca. 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 pesan demasiado caen y originan las precipitaciones en forma de lluvia o nieve.

Evaluación de la humedad en el aire ambiente

Composición del aire seco

el aire seco, a nivel del mar tiene la siguiente composición en peso:

Oxígeno: 23,19%

Nitrógeno:75,47%

Argón: 1,29%

dióxido de carbono: 0,05%

Volumen específico del aire seco

El aire seco con una temperatura relativamente próxima a su temperatura crítica, se puede considerar como un gas perfecto, en el que:

${\displaystyle {v_{a}={\frac {R_{a}.T}{p_{a}}}}}$

donde:

${\displaystyle R_{a}}$ es el constante de los gases, que para el aire= 287,05 J/(Kg.K)

${\displaystyle p_{a}}$ es la presión parcial del aire en Pa

${\displaystyle v_{a}}$ es el volumen específico del aire en m³/kg

${\displaystyle T}$ es la temperatura absoluta en K

Volumen específico del vapor de agua

Por lo mismo indicado para el aire, al ser su presión baja con relación a su presión crítica, se le puede considerar un gas perfecto, por tanto:

${\displaystyle {V_{v}={\frac {R_{v}.T}{p_{v}}}}}$

En la que ${\displaystyle R_{v}}$ es la constante de los gases, que para el vapor de agua= 461,5 J/(Kg.K)

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:

${\displaystyle p=p_{a}+p_{v$

${\displaystyle p}$ es presión atmosférica

${\displaystyle p_{v}}$ es la presión parcial del vapor de agua

Aire saturado

En climatización se emplea la expresión aire saturado, con la que se quiere indicar que la presión parcial del vapor de agua en la mezcla es igual a la presión de saturación de vapor a la temperatura de la mezcla, o dicho de una forma más simple aunque menos exacta, el aire contiene la máxima cantidad de vapor de agua que puede contener a la temperatura a la que se encuentra.

${\displaystyle \log p_{vs}={\frac {7,5.(T_{s}-273,16)}{T_{s}-35,85}}+2,7858}$

${\displaystyle p_{vs}}$ presión de saturación de vapor (Pa)

${\displaystyle T_{s}}$ Temperatura seca del aire (K)

Punto de rocío

Si una mezcla aire-vapor de agua se enfría a presión constante, o lo que es prácticamente lo mismo, sin variar el contenido de vapor de agua que tiene el aire, se llega a una temperatura en la que el vapor comienza a condensar. Esa temperatura es la llamada punto de rocío y a esa temperatura la humedad relativa será del 100%. Un ejemplo de ello es el rocío, que se debe a que al disminuir la temperatura de madrugada, la humedad relativa del aire alcanza el 100%, el vapor de agua que ya no admite el aire, condensa en forma líquida en la superficies de los objetos, hojas, flores, etc. Cuando esto ocurre en un local cerrado, puede producirse sobre cualquier superficie que esté por debajo de la temperatura de rocío, como en el vidrio de una ventana o un muro sin aislamiento. El rocío, en el exterior, se puede producir tanto en invierno como en verano (sobre todo en climas continentales, en los que hay gran contraste de temperaturas entre el día y la noche). Cuando este fenómeno ocurre en invierno, con temperaturas por debajo de 0°C, la helada convierte el rocío en escarcha.

Humedad específica

Es un parámetro que da lugar a confusión, ya que tiene distinta interpretación según ciencias diferentes. Con el término de humedad nos referimos a la cantidad de vapor de agua que hay en el aire. Existen diversas maneras de expresar matemáticamente la humedad del aire. Así, si relacionamos la masa de vapor de agua y el volumen que ocupa el aire húmedo a una temperatura y presión dadas, estamos hablando de humedad absoluta, que viene expresada en kg de vapor de agua/m3 de aire.
Si esa masa de vapor de agua la relacionamos con la masa del aire húmedo estaremos hablando de humedad específica en kg de vapor de agua/kg de aire húmedo.
Si utilizamos la relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco contenidos en una muestra de aire, estaremos hablando de razón o mezcla de humedad. Se expresa en kg vapor de agua/kg aire seco.
La razón de humedad es un poco mayor que la humedad específica. Cualquiera de estas formas nos indica la cantidad de vapor de agua que existe en el aire en un estado determinado.

En psicrometría

En la práctica, teniendo en cuenta que los tres valores son muy próximos, se usa, casi exclusivamente, el último valor, pero que toma, según los textos, los nombres de humedad específica o humedad absoluta, de ahí la confusión. Por tanto, en psicrometría, solo se usa un valor, que es la razón de mezcla que se define como la cantidad de vapor de agua, expresada en gramos, contenida en un kilogramo de aire seco, aunque según los textos se puede llamar humedad específica o humedad absoluta.
Tenemos que:

Y que:

${\displaystyle p_{a}.V=R_{a}.T}$

De donde:

${\displaystyle V={\frac {R_{a}.T}{p-p_{v}}}}$ es el volumen en m³ ocupado por un kg de aire seco

La cantidad ${\displaystyle w}$ en kg contenida en un kg de aire seco con un volumen ${\displaystyle V}$ puede calcularse a partir de:

${\displaystyle P_{v}.V=w.R_{v}.T}$

De donde:

${\displaystyle w={\frac {p_{v}.V}{R_{v}.T}}}$

Y sustituyendo:

${\displaystyle w={\frac {p_{v}}{p-p_{v}}}.{\frac {R_{a}}{R_{v}}}=0,622.{\frac {p_{v}}{p-p_{v}}}}$

En meteorología

La humedad específica se define como la cantidad de vapor de agua en gramos contenida en un Kg de aire húmedo.

${\displaystyle w={\frac {p_{v}}{p}}.{\frac {R_{a}}{R_{v}}}=0,622.{\frac {p_{v}}{p}}}$

Y se utiliza también el concepto llamado razón de mezcla o relación de mezcla que es la masa en gramos contenida en un kg de aire seco y que por supuesto es el mismo valor que la humedad específica de psicrometría.

Humedad relativa

También con este concepto hay que hacer algunas precisiones. Se define la humedad relativa como la relación entre la fracción molar del vapor de agua en el aire y la fracción molar del vapor de agua en el aire saturado a la misma temperatura

${\displaystyle \phi =100.{\frac {n_{v}}{n_{vs}}}}$

${\displaystyle n_{v}}$ = número de moles del vapor de agua en el aire

${\displaystyle n_{vs}}$= número de moles de vapor de agua en el aire saturado

Admitiendo un comportamiento del aire como gas ideal:

${\displaystyle p.V=n.R.T}$

y entonces:

${\displaystyle \phi =100.{\frac {p_{v}}{p_{vs}}}}$

Es decir, prácticamente, la humedad relativa se define como el tanto por ciento de presión de vapor que tiene el aire respecto de la máxima que puede tener a esa temperatura.
Existe otro concepto llamado Grado de saturación, que se define como la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene el aire y la cantidad máxima que podría contener si estuviese saturado a esa temperatura

${\displaystyle GS={\frac {w}{w_{s}}}\;}$${\displaystyle \;=\;{\frac {0,622.{\frac {p_{v}}{p-p_{v}}}}{0,622.{\frac {p_{vs}}{p-p_{vs}}}}}\;}$${\displaystyle \;=\;{\frac {p_{v}}{p_{vs}}}.{\frac {p-p_{vs}}{p-p_{v}}}}$

Combinando esta ecuación con la humedad relativa, se obtiene:

${\displaystyle GS={\frac {\phi }{100}}.{\frac {p-p_{vs}}{p-p_{v}}}}$

Teniendo en cuenta que en el rango de temperaturas con el que normalmente se trabaja en climatización, las presiones de vapor correspondientes oscilan entre 500 Pa y 4000Pa, que con relación a la presión total 101.325Pa del aire, hacen despreciable el segundo factor de la ecuación, se puede estimar que:

${\displaystyle \phi \backsimeq 100.GS=100.{\frac {w}{w_{s}}}=100.{\frac {g/kgaireseco}{(g/kgaireseco)delairesaturado}}}$

En consecuencia, se puede considerar sin mucho error, que humedad relativa es el tanto por ciento de vapor de agua que tiene el aire con relación al máximo que podría tener si estuviera saturado a esa temperatura

Higrómetro.

Instrumento de medida

El grado o cantidad de humedad de aire se mide con el higrómetro. Cuando el higrómetro marca el 100 % se dice que el aire está saturado, es decir, contiene el máximo de humedad que puede tener a la temperatura actual.

La humedad en la comodidad del cuerpo humano 

Sensación térmica

La humedad relativa está relacionada con la comodidad personal.​ La evapotranspiración es un fenómeno necesario para disipar el calor producido en el cuerpo humano. Curiosamente, lo que influye en la sensación de bienestar, no es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, sino la relación entre la cantidad que contiene y la máxima que podría contener si estuviese saturado a esa temperatura, es decir, su humedad relativa. En ambientes fríos, aumenta la humedad relativa, ya que el aire admite menos vapor de agua, mientras que en ambientes cálidos, disminuye la humedad relativa o, dicho de otra forma, aumenta la disponibilidad del aire para admitir vapor de agua, lo que produce sensación de sequedad. En invierno, en ambientes calefaccionados, es necesaria la humidificación, tanto más, cuanto más se caliente el aire.
El aire humedecido por la evapotranspiración, tiende a quedarse cerca de la piel, lo que dificulta el proceso de refrigeración. Una corriente de aire puede sustituir este aire saturado por otro con menor contenido de humedad, que favorece la evaporación. De ahí que el aire movido por un ventilador o por una corriente de aire, cause sensación de frescor, aun cuando no se haya variado su temperatura; lo que refresca el cuerpo es la evaporación del sudor sobre la superficie de la piel, ya que para el cambio de fase (de líquido a vapor) necesita absorber su calor latente y lo toma de lo más cercano, que es la piel, con lo que el cuerpo se refrigera.
Cuando la humedad relativa es alta, el sudor del cuerpo no se evapora con facilidad y no puede bajar su temperatura correctamente; cuando es baja, la evaporación es excesiva, provocando sequedad de la piel y de las mucosas.

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ENTRADAS RELACIONADAS

• CAU-UNIDAD 1: BASES DE FÍSICA Y TERMODINÁMICA APLICADAS A CALDERAS.
• EFA UNIDAD 5: Aire acondicionado
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•  Refrigerantes y medio ambiente
• HUMEDAD RELATIVA Y ABSOLUTA   
• Presión-Unidades de presión y sus factores de conversión

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FUENTES:

https://es.wikipedia.org/wiki/Humedad_del_aire

https://water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html