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El agua es una de las sustancias químicas más importantes de la Naturaleza con
gran trascendencia para la vida. El que la Tierra esté situada a la distancia correcta del Sol
permite que el agua esté presente en la biosfera en sus tres estados: gaseoso, líquido y sólido,
constituyendo un factor determinante de la existencia de la vida terrestre. Aparte de su función
biológica no deja de ser esencial para la vida su contribución al efecto invernadero en forma de
vapor de agua o por su función de limpieza del polvo atmosférico ejercida por la lluvia.
Dentro del sistema global mar-tierra-aire se conoce como "ciclo hidrológico" la
representación conceptual de intercambio de agua sobre la superficie terrestre, que se esquematiza
en el diagrama de la Fig. 1.
De los tres estados en que el agua está presente en la atmósfera
predomina claramente el gaseoso. Al aire corriente, el que constituye la base de los procesos de
ventilación y acondicionamiento, se le define como una mezcla de "aire seco" y vapor de agua. Por
eso traemos el agua aquí y vamos a tratar en primer lugar de sus características.
Fig. 1. Ciclo hidrológico
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El agua pura (de lluvia) tiene por fórmula H2O. Es una combinación química de dos
volúmenes de Hidrógeno y uno de Oxígeno, representado en peso un 11,3% de H y un 88,7% de O.
El agua ordinaria es impura por llevar sales, materia orgánica y gases disueltos
(30 cm³ de aire por litro).
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Se llama agua dura a la que lleva en disolución sales de Magnesio, Hierro y Calcio.
La dureza puede ser Temporal, cuando contiene CO2 que disuelve los carbonatos
metálicos. Se elimina adicionando cal apagada (OH)2Ca.
Y puede ser Permanente, que es cuando lleva sulfatos o cloruros. Se "ablanda"
añadiendo carbonato sódico. Esta dureza es la que determina incrustaciones corrosivas por vía
electrolítica.
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El hielo es agua en su fase sólida. Aparece a los cero grados.
- Peso específico 920,8 kg/m³ a 0°C
- Volumen específico 1,986 dm³/kg
- Volumen nieve 12 dm³/kg
- Calor específico 0,475 kcal/grado·kg
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Corresponden a agua a 4°C, 760 mm cdm.
- Peso específico 1.000 kg/m³
- Volumen específico 1 dm³/kg
- Calor específico 1 kcal/grado·kg
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El vapor es agua en su fase gaseosa. Puede hacerlo a cualquier temperatura sólo o
coexistiendo con agua y aún con hielo. Su temperatura t, su presión p y su densidad d están
correlacionados para cada estado.
Se llama vapor saturado cuando coexiste con agua líquida sin traspaso de una al
otro y viceversa.
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Es el que está por encima de la temperatura de saturación y por tanto no coexiste
con agua. Se comporta como un gas perfecto y le son de aplicación las leyes de los mismos. Su
ecuación de estado es:
- Peso X = 0,2891 VP/T kg
- Volumen V = 3,4614 XT/P m³
- Presión P = 3,4614 XT/V mm cdm
- Temperatura t = 0,2891 PV7X-273°C
El calor latente de vaporización es el necesario para deshacer las fuerzas de
cohesión del agua y dejar sus moléculas en forma de gas.
La entalpía o calor total de una masa de vapor recalentado a to es el correspondiente
a una masa de agua, a 100°C, más el latente de vaporización y el aumento del vapor.
Este calor total puede calcularse por las fórmulas aproximadas siguientes,
válidas para los problemas de acondicionamiento.
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Calor total del vapor:
s = 0,45t + 597,44 kcal/kg
-
Calor latente de vaporización:
sv = 597,44 ˆ 0,549 t kcal/kg
-
Calor de sublimación del hielo:
sh = 677,08 ˆ 0,024 t kcal/kg
-
Entalpía de x kg de vapor a t°:
S = 597,44 x + 0,451 x t kcal
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En las condiciones críticas desaparecen las diferencias entre los estados líquidos
y gaseoso, las densidades son iguales y el calor de vaporización es nulo. Desaparece la superficie
de separación. La temperatura tc por encima de la cual no hay licuación se llama crítica. La presión
Pc que corresponde a la temperatura crítica se llama presión crítica. Esta presión es la de saturación.
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| 7.1 Gas y vapor |
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Se llama gas a todo fluido expansible cuya temperatura es superior a la crítica.
No es licuable por compresión. Se llama vapor a todo fluido expansible cuya temperatura es inferior
a la crítica. Se licúa por compresión.
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| 7.2 Sicrometría |
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Es una parte de la Física que estudia las propiedades térmicas del aire húmedo, su
regulación, medición y el efecto que la humedad produce en los materiales y confort de las personas.
La humedad contenida en el aire modifica en gran manera las propiedades físicas del
mismo e influye enormemente en las sensaciones físicas del hombre.
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El aire se llama saturado cuando se mantiene en equilibrio en presencia de agua
líquida sin que haya traspase de uno al otro. La presión parcial del vapor de agua contenido en este
aire se llama presión de saturación ps y a cada temperatura le corresponde una diferente.
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| 8.1 Humedad absoluta |
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Es el peso de vapor contenido por unidad de volumen de aire, kg/m³, o también
el peso de vapor por unidad de peso de aire seco. Ambas magnitudes tienen un escaso interés técnico.
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| 8.2 Humedad relativa |
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Es el cociente entre el peso del vapor de agua contenido en un volumen de aire y
el peso del vapor saturado del mismo volumen.
| Z (%) = |
| Peso del vapor |
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| Peso vapor saturado |
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× 100 |
Esta expresión es la usada en meteorología y corresponde al concepto de humedad en
acondicionamiento.
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| 8.3 Sicrómetro |
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Es un aparato que mide la humedad relativa del aire. Consta de dos termómetros
iguales, uno con el depósito seco y el otro envuelto en una muselina empapada de agua.
El termómetro seco marca la temperatura del aire y el húmedo, enfriado por la
evaporación del agua que le rodea, marca una temperatura inferior.
Por medio de una tabla anexa al sicrómetro, cuyos valores se han calculado por
medio de una ecuación que relaciona la entalpía del aire y la de un punto húmedo, se conoce el grado
de humedad relativa del aire.
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| 8.4 Densidad del aire |
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Puede calcularse a 760 mm cdm, mediante la fórmula
| d = |
| 352,9454 - 0,1753 p |
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| t + 273 |
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kg/m³ |
p = presión del vapor
pero para una obtención rápida, aunque sólo aproximada, puede utilizarse el gráfico
de la Fig. 2.
Fig. 2. Densidad del Aire
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| 8.5 Punto de rocío |
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Se llama así a la temperatura a la que el vapor de agua contenido en una masa de
aire se convierte en vapor saturado por descenso de la temperatura. Aparecen las primeras gotas de
agua condensada que, si se produce sobre la tierra se le llama rocío y si para saturarse es necesario
bajar de cero grados, se produce la conocida como escarcha.
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El estudio del estado de una masa de aire se basa en funciones matemáticas, algunas
de naturaleza experimental, que no permiten cálculos sencillos, pero si puede realizarse cómodamente
por métodos gráficos basados en lo siguiente:
- CALOR = CALOR SENSIBLE + CALOR LATENTE
- Calor sensible = 0,242 t + 0,451 tx
- Calor latente = So x
- x = kg de vapor
- So = Calor total vapor a cero grados
- t = Temperatura
En esta fórmula dos parámetros, el calor total y el vapor x, son función de la
temperatura húmeda y la de rocío. Así pues, con la temperatura seca t tenemos relacionadas las tres
y fijadas dos, puede determinarse la tercera. Basado en esta fórmula se ha construido el diagrama
sicrométrico de la Fig. 5 cuya estructura se representa y explica en la Fig. 3. Así:
- Una serie de curvas indican el porcentaje de humedad Z %.
- 2° Una serie de rectas horizontales que corresponden a las temperaturas de rocío tI.
- 3° Una serie de rectas casi verticales representan temp. secas t.
- 4° Una serie de rectas inclinadas que marcan las temp. húmedas tII.
Fig. 3. Estructura del diagrama psicométrico
Cada punto del diagrama definirá un estado de aire por las rectas y curvas que pasen
por el mismo, gozando de las propiedades que se indican en el esquema.
Una variante del diagrama sicrométrico es la indicada en la Fig. 4 que con una serie
de rectas dan el volumen de la unidad de aire, esto es, por kilo de aire seco.
Fig. 4. Volumen de una masa de aire húmedo que contiene
un kilo de aire seco
Ello es importante ya que los ventiladores son aparatos que manejan volúmenes de aire
que varían con la densidad en función de la temperatura y la humedad, necesitando más o menos potencia
de acuerdo con esta variación.
Fig. 5. Diagrama psicométrico
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