TERMODINÁMICA I
ING. FEDERICO G. SALAZAR

Tomado de Cengel & Boles; 1998. Pp. 62 - 65

Traducción libre por Federico G. Salazar

La presión en un contenedor de gas es debida a los choques de las moléculas individuales en las paredes del contenedor y ejerciendo una fuerza sobre estas. La fuerza es proporcional a la velocidad promedio de las moléculas y al número de moléculas por unidad de volumen del contenedor (densidad molar). Entonces, la presión ejercida por un gas es una función dependiente de la densidad y la temperatura del gas. Para una mezcla de gases, la presión medida por un sensor tal como un transductor es la suma de las presiones ejercidas por las especies individuales de gases, llamada la presión parcial. Se puede mostrar que la presión parcial de una mezcla de gases es proporcional al número de moles (o la fracción mol) del gas.

El aire atmosférico puede ser visto como una mezcla de aire seco (aire con cero contenido de humedad) y vapor de agua (también nombrada como humedad), y la presión atmosférica es la suma de la presión del aire seco P_a y la presión del vapor de agua, llamada la presión de vapor P_v. Esto es

P_atm = P_a + P_v

La presión de vapor constituye una pequeña fracción (generalmente abajo del 3 por ciento) de la presión atmosférica ya que el aire es mayoritariamente nitrógeno y oxígeno, y las moléculas de agua constituyen una pequeña fracción (generalmente abajo del 3 por ciento) del total de moléculas en el aire. Sin embargo, la cantidad de vapor de agua en el aire tiene un gran impacto sobre el confort térmico y muchos procesos tales como el secado.

Donde P_sat@T es la presión de saturación del agua a la temperatura especificada. Por ejemplo, la presión de vapor del aire a 25°C y 60 por ciento de humedad relativa es

El rango deseable de humedad relativa para el confort térmico es entre 40 y 60 por ciento.

Nótese que la cantidad de humedad que el aire puede contener es proporcional a la presión de saturación, la cual incrementa con la temperatura. Entonces, el aire puede contener más humedad a mayores temperaturas. Bajando la temperatura del aire húmedo se reduce su capacidad de humedad y puede resultar en la condensación de algo de humedad en forma de pequeñas gotas suspendidas (neblina) o como una película líquida en superficies frías (rocío). No es sorprendente que neblina y rocío ocurren comúnmente en localidades húmedas especialmente temprano en la mañana cuando la temperatura es mínima. Ambos neblina y rocío desaparecen (evaporan) conforme la temperatura del aire aumenta brevemente luego del amanecer. También ha notado que los equipos electrónicos como las cámaras de vídeo vienen con prevenciones en contra de llevarlas a lugares externos húmedos cuando los equipos están fríos para evitar condensación de humedad en los componentes electrónicos de tales equipos.

Es común observar que siempre que hay desbalance de una variable en un medio, la naturaleza tiende a redistribuirla hasta que un "balance" o "igualdad" es establecido. Esta tendencia generalmente se refiere como una fuerza motora, la cual es el mecanismo por el cual muchos fenómenos naturales de transporte ocurren tales como la transferencia de calor, flujo de fluidos, corriente eléctrica, y transferencia de masa. Si definimos la cantidad de variable por unidad de volumen como la concentración de esa variable, podemos decir que el flujo de variable es siempre en la dirección de la disminución de concentración, o sea, de la región de mayor concentración hacia la región de baja concentración. La variable simplemente salta durante la redistribución, y entonces el flujo es un proceso de difusión.

Sabemos por la experiencia que cuando un T-shirt cuelga en un área abierta eventualmente se seca, una pequeña cantidad de agua dejada en un vaso se evapora, y que la colonia para después de afeitar en una botella abierta se evapora. Estos y otros ejemplos similares sugieren que hay una fuerza motora entre las dos fases de una sustancia que forza a la masa a transformarse de una fase a la otra. La magnitud de esa fuerza depende de las concentraciones relativas de las dos fases. Una T-shirt húmeda se seca más rápido en aire seco que si el aire está húmedo. De hecho, no se secará para nada si la humedad relativa del ambiente es 100 por ciento y entonces el aire está saturado. En este caso, no habrá transformación de la fase líquida a la fase vapor, y las dos fases estarán en equilibrio de fases. Para agua líquida que están abierta a la atmósfera, el criterio para el equilibrio de fase puede ser expresado como sigue: la presión de vapor en el aire debe ser igual a la presión de saturación del agua a la temperatura del agua.

P_v = P_sat,agua@T

Entonces, si la presión de vapor en el aire es menor que a presión de saturación del agua a la temperatura del agua, algo de líquido se evaporará. A mayor diferencia entre las presiones de vapor y saturación, mayor la razón de evaporación. La evaporación tendrá un efecto de enfriamiento en el agua y entonces reducirá su temperatura. Esto, a su vez, reducirá la presión de saturación del agua y la razón de evaporación, hasta que una especie de operación cuasi estado es alcanzada. Esto explica por qué el agua es generalmente a temperatura considerablemente menor que el aire de los alrededores, especialmente en climas secos. También sugiere que la razón de evaporación del agua puede ser incrementada por aumento de la temperatura del agua y de allí de su presión de saturación.

Nótese que el aire sobre la superficie del agua estará siempre saturado por su contacto directo con el agua y su presión de vapor. De allí que la presión de vapor de la superficie de un lago será simplemente la presión de saturación del agua a la temperatura del agua en la superficie. Si el aire no está saturado, entonces la presión de vapor disminuirá al valor que tiene en el aire a alguna distancia de la superficie del agua, y la diferencia entre esas dos presiones de vapor es la fuerza impulsora para la evaporación del agua.

Investigación. ¿Cuál es el principio de operación de los enfriadores evaporativos?. Indique la diferencia entre Evaporación del agua a 25°C y Ebullición del agua a 100°C.