Conceptos Fundamentales de Gases y Psicrometría del Aire Húmedo

Propiedades Fundamentales de los Gases

Los gases son uno de los estados de la materia, caracterizados por la separación y movimiento constante de sus partículas.

Estados de la Materia y Disposición Molecular

• SÓLIDO: Moléculas muy cercanas y con poca libertad de movimiento.
• LÍQUIDO: Moléculas más alejadas que en los sólidos, con mayor libertad de movimiento.
• GASEOSO: Moléculas muy separadas y en constante movimiento aleatorio.

Propiedades Clave de los Gases

• COMPRENSIBILIDAD: Los gases se comprimen fácilmente, disminuyendo su volumen al aumentar la presión sobre ellos.
• EXPANSIBILIDAD: Los gases se expanden hasta ocupar todo el espacio disponible en un recipiente.
• VARIACIÓN DE VOLUMEN: Al pasar de estado líquido o sólido a gas, y bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, los gases ocupan un volumen significativamente mayor para la misma cantidad de masa.
• LICUEFACCIÓN DE GASES: Los gases pueden pasar a estado líquido al aumentar la presión, disminuir la temperatura, o mediante una combinación de ambos factores.
• VOLUMEN: Espacio que ocupan las moléculas o átomos que componen el gas.
• TEMPERATURA (T°): Propiedad de un gas que corresponde a la energía cinética promedio de sus partículas. Se mide comúnmente en Kelvin.
• PRESIÓN: Fuerza ejercida por el gas sobre un área determinada. Por ejemplo: 1 atmósfera (atm) = 760 mmHg.
• CANTIDAD DE MATERIA (Moles): Se refiere al número de partículas presentes en el gas. Un mol contiene aproximadamente 6.022 x 10²³ partículas (Número de Avogadro). Se calcula con la fórmula: n = m/PM (donde 'n' es moles, 'm' es masa y 'PM' es peso molecular).

Escalas de Temperatura

La temperatura es una medida fundamental en el estudio de los gases y la termodinámica, y se expresa en diversas escalas.

Escalas Relativas

• CELSIUS (°C): Escala donde el punto de congelación del agua es 0°C y el punto de ebullición es 100°C. Ampliamente utilizada en trabajos científicos y cotidianos.
• FAHRENHEIT (°F): Escala donde el punto de congelación del agua es 32°F y el punto de ebullición es 212°F. Comúnmente usada en algunos países.
• GRADO RÉAUMUR (°Ré): Utilizada en algunos procesos industriales específicos, por ejemplo, en la elaboración de almíbar.

Escalas Absolutas

• KELVIN (K): Escala fundamental en termodinámica. El cero absoluto de temperatura (0 K) equivale a -273.15°C, representando la ausencia total de energía cinética molecular.
• RANKINE (°Ra): Escala absoluta donde el cero absoluto es el punto más bajo. El punto de congelación del agua es aproximadamente 492°Ra y el punto de ebullición es aproximadamente 672°Ra.

Teoría Cinética Molecular de los Gases y Leyes Fundamentales

Esta teoría explica el comportamiento macroscópico de los gases a partir del movimiento de sus partículas.

Principios de la Teoría Cinética Molecular

• Los gases están formados por partículas (moléculas o átomos) que se encuentran separadas por grandes distancias en comparación con su tamaño.
• Las partículas de gas se mueven en línea recta, al azar, y chocan elásticamente entre sí y con las paredes del recipiente.
• Un aumento en la temperatura del gas incrementa la velocidad promedio con la que se mueven las partículas.
• No existe fuerza de atracción significativa entre las partículas de gas.

Leyes de los Gases Ideales

• LEY DE BOYLE: A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión. Si la presión aumenta, el volumen disminuye, y viceversa.
• LEY DE CHARLES: A presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Si la temperatura disminuye, el volumen disminuye; si la temperatura aumenta, el volumen aumenta.
• LEY DE GAY-LUSSAC: A volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Si la temperatura aumenta, la presión aumenta.

Psicrometría: Estudio del Aire Húmedo

La psicrometría es la rama de la física que estudia las propiedades termodinámicas del aire húmedo, una mezcla de aire seco y vapor de agua.

Composición y Propiedades del Aire

• AIRE: Mezcla de gases incolora, inodora e insípida que compone la atmósfera terrestre.
• DENSIDAD: Masa por unidad de volumen (ej. kg/m³). Varía con la altitud y la temperatura, siendo generalmente mayor a nivel del mar.
• PRESIÓN: La presión atmosférica estándar es de aproximadamente 101.325 kPa (equivalente a 1.033 kg/cm²).
• RELACIÓN TEMPERATURA-VAPOR: A menor temperatura, el aire puede contener menor cantidad de vapor de agua; a mayor temperatura, puede contener mayor cantidad de vapor de agua.

Conceptos Clave de Humedad

• HUMEDAD: Presencia de vapor de agua en el aire.
• HUMEDAD ABSOLUTA (H): Masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire (ej. g/m³ o kg/m³).
• HUMEDAD RELATIVA (HR): Porcentaje de humedad que contiene una masa de aire en relación con la máxima que podría contener a esa misma temperatura. Se expresa como la relación porcentual entre la presión parcial del vapor de agua en el aire (p) y la presión de vapor de agua de saturación (ps) a la misma temperatura. Fórmula: HR = (p / ps) * 100%. También puede expresarse como HR = (H / Hs) * 100%, donde Hs es la humedad absoluta de saturación.
• RELACIÓN DE HUMEDAD ABSOLUTA Y SATURACIÓN: La humedad absoluta de saturación (Hs) es la máxima cantidad de vapor de agua que el aire puede contener a una temperatura y presión dadas. La relación entre la humedad absoluta (H) y la humedad de saturación (Hs) es fundamental para entender la humedad relativa.
• CALOR HÚMEDO (Calor Específico del Aire Húmedo): Capacidad calorífica de una libra de aire seco más la humedad. Fórmula: Cs = 0.24 + 0.45H (donde H es la humedad absoluta).

Temperaturas Características en Psicrometría

• TEMPERATURA DE BULBO SECO (TBS): Es la temperatura del aire medida con un termómetro común, no afectado por la humedad.
• TEMPERATURA DE ROCÍO (TDR): Es la temperatura a la cual el vapor de agua en el aire comienza a condensarse, alcanzando el 100% de humedad relativa.
• VOLUMEN HÚMEDO: Volumen ocupado por una libra de aire seco y el vapor de agua asociado (ej. en pies cúbicos).
• VOLUMEN SATURADO: Volumen húmedo cuando el aire está completamente saturado de vapor de agua.

La Carta Psicrométrica y sus Parámetros

La carta psicrométrica es una herramienta gráfica esencial para visualizar y calcular las propiedades termodinámicas del aire húmedo.

Parámetros Representados en la Carta Psicrométrica

• ENTALPÍA TOTAL: Suma del calor sensible (energía para cambiar la temperatura del aire húmedo) más el calor latente (energía de evaporación del agua).
• TEMPERATURA DE BULBO SECO (TBS): La temperatura que se mide directamente con un termómetro estándar.
• TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO (TBH): La temperatura que se alcanza en el estado estacionario de evaporación de agua en una superficie húmeda expuesta al aire.
• HUMEDAD RELATIVA (HR): Relación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de vapor de agua de saturación a la misma temperatura.
• CONTENIDO DE HUMEDAD (Humedad Absoluta o Razón de Humedad): Relación entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco.
• HUMEDAD ABSOLUTA DE SATURACIÓN (Hs): Masa máxima de vapor de agua que el aire puede contener por unidad de masa de aire seco a una temperatura y presión dadas.
• PUNTO DE ROCÍO (TDR): Temperatura a la cual el aire húmedo alcanza la saturación y el vapor de agua comienza a condensarse.