Humedad del aire. Aparatos de medida.

El vapor de agua, uno más de los componentes del aire de la atmósfera, tiene una densidad menor que el aire, luego el aire húmedo (mezcla de aire y vapor) es menos denso que el aire seco. Además, las sustancias, al calentarse, dilatan, luego tienen menor densidad. El aire caliente que contiene vapor de agua se eleva en la atmósfera. La temperatura de la atmósfera disminuye una media de 0,6 ºC cada 100 m. 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.

Todo un ciclo que tiene su inicio en la evaporacion (paso del estado líquido al gaseoso) o en la sublimación (paso del estado sólido, hielo o nieve, al gaseoso) influido por:

La temperatura del agua
La temperatura del aire en contacto con el agua
La cantidad de agua que puede contener el aire relacionada a su temperatura. A mayos temperatura mayor vapor,
La velocidad del viento.

Humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua que se encuentra por unidad de volumen en el aire de un ambiente medido en gramo x metros cúbicos de aire. Midiendo la humedad absoluta, lo que hacemos es determinar la cantidad de vapor que contiene el aire. Su valor es variable y puede llegar hasta un máximo (aire saturado) a partir del que se forman gotas o cristales de hielo. El límite de saturación depende de la temperatura. En condiciones especiales la humedad puede estar en estado gaseoso superando el límite de saturación, a este efecto se le llama "sobresaturación".

Humedad específica es la cantidad de vapor de agua que se haya contenido en el aire, pero a diferencia de la humedad absoluta, en esta el vapor se mide en gramo y el aire en kilogramos.

Humedad relativa es la relación porcentual entre la cantidad de vapor de agua real que existe en la atmósfera y la máxima que podría contener a idéntica temperatura; es decir, es el cociente en la humedad absoluta y la cantidad máxima de agua que admite el aire por unidad de volumen. Se mide en tantos por ciento y está normalizada de forma que la humedad relativa máxima posible es el 100%. Una humedad relativa del 100% significa un ambiente en el que no cabe más agua (saturación). El cuerpo humano no puede transpirar y la sensación de calor puede llegar a ser asfixiante. Corresponde a un ambiente húmedo. Una humedad del 0% corresponde a un ambiente seco. Se transpira con facilidad.
Cuando la humedad alcanza el valor del 100% se produce fenómenos de condensación que observamos en la vida diaria. El fenómeno del rocío en las mañanas de invierno se debe a que la humedad relativa del aire ha alcanzado el 100% y el aire no admite ya más agua. Entonces el agua condensa en forma líquida en superficie metálicas, hojas, flores etc. También se alcanza el 100% de humedad cuando usamos agua muy caliente en un reciento cerrado como por ejemplo un cuarto de baño. El agua caliente se evapora fácilmente y el aire de la habitación alcanza con rapidez el 100% de humedad. El resultado es de todos conocidos... se empañan (se humedecen) los espejos del baño.

Relación de tensión de Saturación: En el capítulo de "Presión Atmosférica",vimos que esta la compone la suma de la presión de todos los gases atmosféricos (el vapor de agua lo es). Si relacionamos la presión particular del vapor de agua a una temperatura y un determinado momento, con la presión máxima de ese vapor saturado a la misma temperatura tendremos la fracción de saturación o lo que es lo mismo rtelación de tensión de saturación. Esta relación expresada en % se conoce como humedad relatva.

Humedad relativa= 100 x Presión de vapor a temperatura (P) / Presion del vapor a misma temperatura saturado (P')

Si el valor P y P' es 1 es decir la Rr 100% tendría lugar la saturación.

Aparatos de medida de la humedad: Higrómetro o hidrógrafo es un instrumento que se utiliza para medir el grado de humedad del aire, u otro gas. Los primeros higrómetros estaban constituidos por sensores de tipo mecánico, basados en la respuesta de ciertos elementos sensibles a las variaciones de la humedad atmosférica, como el cabello humano.Hoy en dia se utilizan:

• El higrómetro de absorción utiliza sustancias químicas higroscópicas, las cuales absorben y exhalan la humedad, según las circunstancias que los rodean.
• El higrómetro eléctrico está formado por dos electrodos arrollados en espiral entre los cuales se halla un tejido impregnado de cloruro de litio acuoso. Si se aplica a estos electrodos una tensión alterna, el tejido se calienta y se evapora una parte del contenido de agua. A una temperatura definida, se establece un equilibrio entre la evaporación por calentamiento del tejido y la absorción de agua de la humedad ambiente por el cloruro de litio, que es un material muy higroscópico. A partir de estos datos se establece con precisión el grado de humedad.
• Higrómetro electrónico a menudo están disponibles en versiones que también miden la temperatura (termo-higrómetros). La humedad relativa se expresa como la proporción de la cantidad de vapor de agua presente en el aire en relación con la cantidad que lo saturaría a una temperatura dada..El sistema de medición está compuesto de un medidor conectado a una sonda. Esta sonda está basada en la capacitancia de un sensor de humedad con un polímero o material dieléctrico plástico con una constante dieléctrica fija entre 2 y 15. La humedad hace que el dieléctrico se dilate, distanciando así las placas con la consecuente variación de la geometría del capacitador y la reducción de su capacitancia. Estas variaciones de capacitancia a su vez causan un cambio de frecuencia en los componentes electrónicos del instrumento, que resulta en una modulación de frecuencia la cual es una función de la humedad relativa. La frecuencia se convierte entonces en voltaje, que se convierte en un valor de humedad relativa y se visualiza en pantalla

Psicrómetro: La humedad relativa se pueden determinar también por medio de un aparato llamado psicrómetro. En los observatorios meteorológicos se utiliza para medir la humedad relativa del aire, la tensión del vapor y el punto de rocío

Es un aparato que tiene dos termómetros uno, llamado seco, que está en contacto con el aire y mide la temperatura real del aire y otro, llamado húmedo, que tiene el depósito recubierto de una muselina húmeda mediante una mecha que lo pone en comunicación con un depósito de agua destilada. Debe exponerse a una corriente de aire mediante un ventilador mecánico.Su funcionamiento se basa en la comparación de las lecturas de los dos termómetros.

El termómetro húmedo marca menos temperatura que el otro debido a que el agua que empapa la muselina se evapora, pero para hacerlo necesita calor, que obtiene del termómetro, con lo que la temperatura baja. El agua evaporada es reemplazada por la que llega a través de la mecha. Al termómetro le llega exactamente la misma cantidad de agua que se evapora. El descenso de temperatura provocado por la evaporación depende de la velocidad de evaporación.Cuanta menos humedad relativa tiene el aire más rápidamente se evapora, y cuanto más rápido se evapora más baja su temperatura de este termómetro con respecto a la que marca el termómetro seco.La relación entre la diferencia de temperatura que miden los dos termómetros y la humedad relativa no es directa, ya que depende de la temperatura real del aire, y de la presión atmosférica.Con ayuda de unas tablas y conociendo las temperaturas de los dos se puede calcular fácilmente la humedad relativa.
Hoy se utilizan equipos digitales que ofrecen una alta fiabilidad.

Cambios del estado del agua en la atmósfera. Termodinámica elemental

Evaporación: Cambio de fase del agua de un estado líquido a sólido por absorción de calor. Se produce una circulación que va de los cuerpos de agua hacia la atmósfera. A mayor evaporación la atmósfera estará más húmeda llegando mas rápido a un estado de saturación, lo que eleva la probabilidad de precipitaciones. El calor del sol hace que el agua de ríos, mares, lagos, lagunas y océanos se evapore, así como también el agua de la transpiración de plantas y animales (Evapotranspiración). La evaporación es un proceso que se da en la superficie del líquido a cualquier temperatura. La ebullición es un proceso mucho más rápido y turbulento y se da en todo el cuerpo de agua a una determinada temperatura que en el caso del agua pura y, a presión normal, es de 100ºC.

Evaporación por aumento de la temperatura
Evaporación por disminución de la presión
Evaporación por combinación de ambos efectos

Condensación: La condensación es el proceso por el cual el agua cambia de fase , de vapor a estado líquido a causa del enfriamiento del aire. La condensación es responsable de la formación de las nubes. Algunos ejemplos comunes de la condensación son: el rocío que se forma en la hierba en horas de la madrugada, los vídrios de los lentes que se empañan cuando entras en un edificio caliente en un frío día de invierno, o las gotas que forman en un vaso con una bebida fría en un día caliente de verano.
La formación de nubes es un ejemplo de condensación. Cuando el aire, cargado de vapor de agua, asciende, se enfría y se condensa en pequeñas gotitas de agua formando las nubes.Otro ejemplo de condensación es la formación del rocío. El vapor de agua que está en el aire se condensa al ponerse en contacto con el suelo o la vegetación que han perdido calor durante la noche.
El límite de saturación depende de la temperatura y el aire puede saturarse de dos maneras:

Condensación por vaporización: Aumenta el vapor de agua manteniendo la temperatura
Condensación por enfriamineto: No varía lña cantidad de vapor pero enfriando el aire.

Solidificación: Es el paso de líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto de fusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es también específico. El paso de estado líquido a sólido se produce por una disminución de temperatura. En este cambio de estado el volumen del agua aumenta. Cuando metemos una botella de cristal llena de agua al congelador, al pasar de líquido a sólido, la botella estalla debido al aumento de volumen. Cada año esto ocurre al llegar el invierno en las regiones polares. El agua del mar se solidifica. En algunas regiones frías de la Tierra se congelan las superficies de los lagos. El hielo es menos denso que el agua líquida es por eso que siempre está en la superficie del líquido y no en el fondo de mares y lagos. La mayor densidad (peso) del agua se da a los 4ºC, razón por la cual esa es la más baja temperatura que podemos encontrar en el fondo y por eso que el fondo de los océanos no tiene hielo.

Fusión: Es el proceso por el cual un sólido se transforma en líquido. Requiere la absorción de aproximadamente 80 cal/g para el agua (calor latente de fusión). La solidificación (congelamiento),el proceso inverso, libera estas 80 cal/g. El hielo se funde al recibir calor. Este fenómeno se da en la naturaleza por ejemplo cuando llega el verano y se deshielan las cumbres de las montañas. O cuando los copos de nieve atraviesan capas de aire más calientes y se funden llegando a la superficie en forma de lluvia. O cuando al salir del sol se derrite la escarcha. El aire próximo se enfriará.

Sublimación: Es la conversión de un sólido directamente para un gas sin pasar por el estado líquido y la deposición es el proceso inverso, la conversión de vapor para sólido. La sublimación y la deposición envuelven una cantidad de energía igual la suma de las energías comprendidas en losotros dos procesos. (600 cal/g + 80 cal/g.La sublimación puede ser fácilmente observada en el "hielo seco" (dióxido de carbono congelado).La condensación que es la deposición junto al suelo es visible como rocío y helada. Los mismos procesos en la atmósfera producen nubes. Cuando existe un cambio de fase del gas, el calor entregado o liberado se calcula de la siguiente manera: Q = m*L. Donde m es la masa y L es el calor latente de la sustancia y depende del cambio de fase. Tanto la sublimación como la condensación del vapor de agua en la atmósfera necesitan de la presencia de iones (partículas) como núcleo de las gotitas (condensación) o de los cristales de hielo (sublimación).

PUNTO DE ROCIO.

El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina o, en caso de que la temperatura sea lo suficientemente baja, escarcha.

Si una masa de aire se enfría lo suficiente, alcanza la temperatura llamada punto de rocío, por debajo de la cual no puede mantener toda su humedad en estado de vapor y éste se condensa, convirtiéndose en líquido, en forma de gotitas de agua. Si la temperatura es lo suficiente baja se originan cristales de hielo.Casi siempre se necesita algo, sobre lo que el vapor pueda condensarse, es decir, superficies o cuerpos apropiados donde depositarse. Y en la atmósfera ese "algo" son partículas diminutas, impurezas procedentes de la Tierra. La mayoría de estas partículas son tan pequeñas que no pueden verse a simple vista y se conocen como núcleos de condensación.

Para una masa dada de aire, que contiene una cantidad dada de vapor de agua (humedad absoluta), se dice que la humedad relativa es la proporción de vapor contenida en relación a la necesaria para llegar al punto de saturación, expresada en porcentaje. Cuando el aire se satura (humedad relativa igual al 100%) se llega al punto de rocío. La saturación se produce por un aumento de humedad relativa con la misma temperatura, o por un descenso de temperatura con la misma humedad relativa.

TERMODINÁMICA DE LA ATMÓSFERA:

La Termodinámica es la parte de la Física que estudia los procesos macroscópicos relacionados con el intercambio de calor. Sistemas físicos, formados por muchas partíıculas, se describen mediante las denominadas variables de estado (presión, volumen, temperatura y composicióon), que en sistemas en equilibrio se relacionan entre si. Sus leyes son restricciones generales que la naturaleza impone en todas esas transformaciones.
La primera ley de la termodinámica afirma que la energía total de cualquier sistema aislado se conserva. Se trata de la generalización de la segunda ley de Newton (conservación del movimiento), mediante el reconocimiento de que el calor Q es una forma de energía y de la energía interna U como una propiedad intrínseca de la materia por lo que se identifica el calor como una forma de energía.

La termodinámica y la atmósfera: La termodinámica es la ciencia de la temperatura y el calor (que no es lo mismo: temperatura es el nivel de la energía interna térmica, y calor es el flujo de energía interna térmica a través de una superficie impermeable a la materia (primera ley)). El observador elige una porción de materia para el estudio (su sistema termodinámico), y analiza los efectos de la interacción del sistema con el entorno, que se pueden resumir en que la energía ni se crea ni se destruye (sólo se transforma), y que la energía siempre tiende a dispersarse.Las sustancias más corrientes en termodinámica son el aire y el agua, y la atmósfera es básicamente aire y agua (el aire también está disuelto en el mar, y tanto el aire como el agua forman parte del suelo).
La termodinámica de la atmósfera se basa en observaciones atmosféricas y trata de establecer modelos termodinámicos que sirvan de diagnóstico y ayuden en la predicción fiable.
La atmósfera terrestre es una capa relativamente muy delgada; el 99,9% de su masa está comprendida en los primeros 48 km de altitud, el espesor equivalente en una esfera manejable de 100 mm de diámetro (en lugar de los 12 740 km del diámetro medio terrestre) sería de 100·48/12740=0,38 mm, más parecido a la piel de una manzana que a la de una naranja.¿Cómo se puede saber que a 48 km ya sólo queda un 1‰ (un uno por mil) del aire atmosférico? ; basta medir la presión atmosférica en la superficie terrestre, integrar la ecuación de la hidrostática (con ayuda de la ecuación de los gases ideales, y de una estimación del gradiente térmico vertical, (que no influye mucho), para calcular que apenas queda un 1‰ de masa de aire desde 48 km hasta... donde puedan quedar atrapados los gases.La ecuación de la hidrostática, dp//dz=fg, enseña cómo varía la presión p, con la altura z, en un campo gravitatorio de intensidad g, siendo f la densidad del fluido. Aunque esta variación de la presióncon la altura nos parezca obvia (la fuerza por unidad de área que hace un fluido, diminuye con la altura,debido al peso unitario de la columna de fluido que se descuenta), no fue hasta el famoso experimento deTorricelli (1643) con la columna de mercurio en Florencia (50 m de altitud), cuando se logró medir por primera vez la presión atmosférica: el equivalente a 760 mm de columna de mercurio; su variación con la altitud fue medida por Pascal (1648) subiendo a un monte de 1,5 km (se lo encargó a su cuñado), y por Gay-Lussac (1804) ascendiendo en globo hasta 7 km (comprobando que la composición del aire no variaba con la altura, y que la temperatura decrecía con la altura); fue Laplace quien desarrolló ese mismo año (1804) la ley de dependencia de la presión atmosférica con la altura. En Metereología, se conoce como transformación adiabática a los procesos en una masa de aire sin haber intervenido la temperatura, es decir, el sistema que evoluciona no intercambia energía térmica con el exterior).
Para entender los procesos adiabáticos en la atmósfera es usual pensar en las corrientes ascendentes y descendentes de aire como si fuesen compuestas de unidades discretas de masa, llamadas parcelas de aire, que son consideradas térmicamente aisladas del ambiente de modo que su temperatura cambia adiabáticamente. Al subir o bajar una parcela de aire ésta tomará la misma presión del aire de su alrededor, que se supone en equilibrio hidrostático y se mueve con lentitud suficiente para que su energía cinética sea una fracción despreciable de su energía total