FP a Distancia Modulo 1 Maquinas y Equipos Frigorificos 01-01-00-00

MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOSFRIGORÍFICOS

U.D. 1 TERMODINÁMICA

M 1 / UD 1

MÓDULO UNO MÁQUINAS Y EQUIPOS FRIGORÍFICOS


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ÍNDICE

Introducción.................................................................................. 9

Objetivos ........................................................................................ 11

1. Introducción al temario.......................................................... 13

2. Definición de termodinámica ................................................ 14

3. Introducción al concepto de energía .................................... 15

4. Introducción al concepto de trabajo ..................................... 16

5. Expresión del primer principio de la termodinámica.......... 17

6. Termometría............................................................................ 18

6.1. Definición de calor....................................................... 18

6.2. Relación calor-movimiento molecular ........................ 18

6.3. Definición de frío ......................................................... 18

6.4. Intercambio de calor - Flujo de calor.......................... 19

6.5. Transmisión de calor .................................................... 20

6.6. Medición de la temperatura ........................................ 26

6.7. Escalas termométricas .................................................. 27

6.8. Fenómenos de dilatación............................................. 29

6.9. Cero absoluto y escala termodinámica........................ 32

6.10. Unidades de calor.......................................................... 33

6.11. Fórmulas para la conversión de unidades

de temperatura .............................................................. 33

6.12. Calor específico ............................................................. 34

6.13. Calor latente .................................................................. 35

6.14. Calor sensible................................................................. 37

6.15. Definición de sustancia pura ........................................ 38

6.16. Estados físicos de una sustancia pura........................... 38

6.17. Cambios de estado físicos ............................................. 40

6.18. Saturación ...................................................................... 51

6.19. Diagramas de propiedades para procesos

de cambios de fase......................................................... 54

7. Comportamiento de los gases ................................................ 60

7.1. Introducción.................................................................. 60

7.2. Características de los gases............................................ 60



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7.3. Definición de gas ideal.................................................. 63

7.4. Ecuación de estado de un gas ideal.............................. 64

7.5. Constante de gas universal............................................ 65

7.6. Masa molar..................................................................... 65

7.7. Compresión de un gas ideal ........................................ 66

8. Calor y trabajo ......................................................................... 68

8.1. Clasficación, formas y tipos de energía........................ 68

8.2. Definición de trabajo .................................................... 69

8.3. Tipos de transformación del trabajo............................ 71

8.4. Potencia.......................................................................... 73

8.5. Unidades de medida ..................................................... 74

8.6. Estudio de los ciclos termodinámicos .......................... 75

9. Estudio termodinámico de los ciclos de refrigeración......... 80

9.1. Introducción.................................................................. 80

9.2. El ciclo de refrigeración................................................ 80

9.3. Diagramas termodinámicos .......................................... 81

9.4. Diagrama P-V o diagrama de andrews ......................... 83

9.5. Diagrama T-S o diagrama entrópico ............................ 84

9.6. Diagrama P-H o diagrama entálpico ............................ 84

9.7. Diagrama H-S................................................................. 85

10. Higrometría............................................................................. 86

10.1. Introducción.................................................................. 86

10.2. Definiciones ................................................................... 86

10.3. Métodos y aparatos de medida ..................................... 96

10.4. Carta psicrométrica ....................................................... 99

10.5. Composición diagrama psicrométrico ......................... 100

10.6. Estudio de las operaciones de tratamiento de aire ..... 107

Resumen ........................................................................................ 117

Glosario.......................................................................................... 123

Cuestionario de Autoevaluación.................................................. 143

Bibliografía .................................................................................... 147



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INTRODUCCIÓN

La termodinámica se define como la parte de la física que estudia lasrelaciones existentes entre los fenómenos dinámicos y los caloríficos, esdecir, trata de la transformación de la energía mecánica en calor y delcalor en trabajo.

También describe y relaciona las propiedades físicas de sistemasmacroscópicos de materia y energía, así como los sistemas que seencuentran en equilibrio.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico,que se define como un conjunto de materia que se puede aislarespacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable.El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirsemediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o elvolumen, que se conocen como variables termodinámicas, siendo posibleidentificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad,el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansióntérmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de unsistema y de su relación con el entorno.

Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro,se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principiosde la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulososexperimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesostermodinámicos. Los principios de la termodinámica tienen unaimportancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.

En esta unidad nos centraremos en el estudio del comportamiento dela energía calorífica y las formas en que la energía se transforma en calor.

Esto nos ayudará a comprender mejor de forma general por qué lasmáquinas no pueden ser totalmente eficientes y por qué es imposibleenfriar un sistema hasta el cero absoluto, y en particular se estudiarány comprenderán los conceptos básicos que serán necesarios en lassiguientes unidades.

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OBJETIVOS

En esta unidad se pretende que el alumno adquiera conocimientosbásicos, y conozca conceptos que le serán útiles para la comprensión delas siguientes unidades. En concreto se tratará:

• Calor, frío, trabajo, potencia, transmisión de calor y sus mecanismos,medición de la temperatura, consecuencias de los cambios detemperaturas, parámetros característicos de los gases, ciclostermodinámicos y estudio del acondicionamiento de aire.

• Relaciones que existen entre los conceptos que se estudian, así comolas formas en las que se pueden alterar estas relaciones.

• Compresión de las relaciones que existen entre el estado de equilibriode un sistema y las influencias externas a las que está sujeto el mismo.

• El comportamiento de las sustancias utilizando como herramientala termodinámica y en particular los diagramas de fase.

• Proporcionar los fundamentos de psicrometría y de acondicionamientode aire para comprender mejor el funcionamiento de las instalacionesde acondicionamiento de aire.



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1. INTRODUCCIÓN AL TEMARIO

En esta primera parte del temario se estudiarán conceptos básicos de latermodinámica, como calor trabajo, comportamiento de los gases y ciclosfrigoríficos para poder comprender mejor los siguientes temas, quetienen como fin el estudio de sistemas frigoríficos que realicen lasconversiones deseadas entre distintos tipos de energía.



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2. DEFINICIÓN DE LA TERMODINÁMICA

La termodinámica se define como la ciencia que estudia, interpreta yexplica las interacciones energéticas que se dan entre los sistemasmateriales, formulando leyes que rigen dichas interacciones, o dicho deuna forma más practica, la termodinámica es la ciencia que estudia laenergía y sus transformaciones, incluidas la formación de potencia, larefrigeración y las relaciones entre las propiedades de la materia.



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3. INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE ENERGÍA

Aunque intuitivamente todo el mundo tenga una idea del concepto deenergía, es difícil dar una definición precisa de él. A groso modo sepuede decir que es la capacidad para producir cambios.

Así por ejemplo, la obtención de energía de una persona se hace a travésde los alimentos.



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4. INTRODUCCIÓN AL CONCEPTO DE TRABAJO

La energía se emplea en andar, hablar, etc., en definitiva, en la realizaciónde actividades que suponen trabajo.

Siguiendo con este ejemplo, observamos que cuando una persona tieneuna energía de entrada (alimentos) mayor que su salida (ejercicio) ganapeso. También cuando una roca cae por un acantilado, gana velocidada costa de perder altura, es decir, conforme pierde energía potencialgana energía cinética.



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5. EXPRESIÓN DEL PRIMER PRINCIPIODE LA TERMODINÁMICA

Siguiendo los dos apartados anteriores, vemos cómo se cumple una delas leyes fundamentales de la naturaleza: “La energía ni se crea ni sedestruye; sólo se transforma”, principio que se expone de una formasencilla en la primera ley de la termodinámica:

∆ u = q-w

donde:

u es la variación de energía del sistema de un estado inicial hasta otrofinal Uf-Ui (energía final - energía inicial).

q es el calor generado en el proceso.

w es el trabajo realizado para pasar del estado inicial al estado final.

Concluyendo así que la energía se puede emplear para la obtención decalor y trabajo.



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6. TERMOMETRÍA

Cuando tocamos un objeto el sentido del tacto nos proporcionasensaciones que nos permiten comparar la temperatura de un cuerpocon respecto a otro o con el medio que lo rodea, pero se trata sólo deuna apreciación cualitativa y no es suficiente para poder dar una definicióndel término “temperatura”, que es una de las magnitudes básicas parael estudio de cualquier sistema termodinámico.

La termometría se basa en el estudio de los conceptos que hacen quepodamos convertir en algo cuantitativo o mensurable adjetivos como“frío” o “caliente”.

6.1. Definición de calor

El calor se manifiesta de muchas formas en nuestra vida diaria: el calorsolar, el calor generado al frotar las manos, el paso de corriente por unaresistencia eléctrica con el desprendimiento de calor de una bombilla,etc., así pues, es una sensación que percibimos cuando nos encontramosenfrente de un cuerpo incandescente.

El calor es la energía que se transfiere entre dos sistemas (o de un sistemay sus alrededores).

6.2. Relación calor - movimiento molecular

El calor está relacionado con el movimiento de las partículas que son lasdivisiones más pequeñas que se puede hacer de cualquier sustancia sinque pierda su identidad química; de la siguiente forma:

Una molécula al moverse genera calor y cuanto mayor sea su movimientoo velocidad más calor genera.

Por otro lado, esta molécula al moverse choca con otras moléculas que,a raíz de esto, ven aumentada su velocidad y por lo tanto su generaciónde calor y que a su vez chocan con otras moléculas que chocan conotras,... etc. Así pues, cuanto más alta sea la velocidad de las moléculasque componen una sustancia mayor será la temperatura de esa sustanciamanteniendo las condiciones del medio que la rodea.

6.3. Definición de frío

Es la sensación que se produce con la falta de calor, es el término negativodel calor, que indica su disminución o ausencia.

Si de alguna forma “extraemos” calor de una sustancia, el movimientode sus moléculas será cada vez más lento. La “potencia” de un compresor



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o máquina frigorífica está relacionada con este concepto, ya que se refierea la cantidad de frío producido, o mejor dicho, a la cantidad de calorque puede absorber.

Así, si en el apartado anterior veíamos cómo el calor era un indicadordel estado de agitación de las moléculas que componen una sustancia,en este apartado deducimos que el frío, por el contrario, es un indicadorde que el movimiento de las moléculas es lento.

6.4. Intercambio de calor - Flujo de calor

El movimiento de las partículas genera energía, como hemos vistoanteriormente. Este tipo de energía se llama calor, y se define como laforma de energía que se transfiere entre dos sistemas, o entre un sistemay su entorno, cuando sus temperaturas son diferentes, de forma que pasade uno a otro hasta que la cantidad de calor de ambos se iguala y se llegaa un estado de equilibrio.

Si pensamos en esto último deducimos con rapidez que el calor pasa delcuerpo o sistema que tiene “más cantidad de calor” al cuerpo o sistemaque tiene “menos cantidad de calor”.

Ejemplo: un caso muy cotidiano de esta transferencia de energía es loque ocurre en nuestros frigoríficos.

El evaporador de un frigorífico es la parte que absorbe calor, es decir elcuerpo frío (su configuración y funcionamiento será tratado con másdetalle en el apartado correspondiente de esta unidad didáctica); elcuerpo caliente lo forman los alimentos que metemos en la nevera.

Estos alimentos están, como poco, a temperatura ambiente cuando losintroducimos en la nevera; el evaporador, por el contrario, se encuentraa varios grados bajo cero, con lo cual, el calor de los alimentos pasa alevaporador, consiguiendo así que se enfríen.

El calor, como forma de energía, tiene las siguientes unidades de medidaentre las más usuales:

• Caloría [cal]: una caloría es la unidad de calor aportada o extraídapara aumentar o reducir en un grado centígrado la temperatura deun gramo de agua.

• Julio [J]: la cantidad de calor aportado o extraído para aumentar oreducir en un grado centígrado la temperatura de un gramo de aguaes equivalente a 4´187 Julios.

Esta es la unidad que se utiliza en el Sistema Métrico Internacional.

• British Thermal Unit [Btu]: un Btu es la unidad de calor extraída



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para reducir en un grado Fahrenheit la temperatura de una libra deagua.

Esta unidad de medida pertenece al sistema angloamericano.

• Frigoría [fg]: es la unidad que se utiliza en la industria frigoríficapara expresar las cantidades de calor transmitidas y para valorar lapotencia de los compresores y máquinas frigoríficas.

La Frigoría es una kilocaloría negativa:

1 fg = -1 kcal

En el caso de la potencia de las máquinas frigoríficas, la hora es launidad de tiempo utilizada para expresarla:

Potencia frigorífica = fg/h

La correspondencia entre las unidades antes expresadas es la siguiente:

1 Julio = 0´2389 kcal

= -0´2389 fg

= 0´9478 Btu

1 fg ó 1 kcal = 3´968 Btu

1Btu = 0´2516 kcal ó 0´2516 fg

6.5. Transmisión de calor

Como ya hemos visto en el apartado anterior, al estar un sistema enpresencia de otro, el calor se transmite del más caliente al menos caliente.Este intercambio de calor no se termina hasta que la temperatura deambos sistemas se iguale, llegando a un estado de equilibrio térmico.

La cantidad de calor transferida en el proceso entre dos estados 1 y 2 seexpresa por medio de Q 12, o sólo por Q. Por otro lado, q es la transmisiónde calor por unidad de masa de un sistema, y se determina de la siguientemanera:

q = Q/m (kJ/kg)

Así, en el ejemplo, q = 10/2 = 5kJ/kg



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Muchas veces es mejor conocer la cantidad de calor transferida porunidad de tiempo :

= Q/ t

En el ejemplo anterior = 10/5 = 2 kJ/s

En cuanto a la dirección del flujo de calor la cantidad Q = 10 kJ no nosdice nada por sí sola, es decir, no sabemos si los 10 kJ son transferidosa nuestro o por nuestro sistema, a no ser que adoptemos un criterio designos.

El signo universalmente aceptado para el flujo de calor es el siguiente:la transferencia de calor hacia un sistema es positiva y la transferenciade calor desde un sistema es negativa; en definitiva, los flujos queincrementen la energía de un sistema se consideran con signo positivoy los que la disminuyan se cuentan con signo negativo.

A la hora de la práctica debe darse gran importancia a los fenómenosfísicos que rigen la transmisión del calor de un sistema a otro, o a travésdel mismo, siempre intentando conseguir dos objetivos:

• Una transferencia de calor entre la parte fría y la parte caliente dela máquina frigorífica tan elevada como sea posible.

• Una transferencia de calor entre el espacio refrigerado y el exteriortan bajo como sea posible.

Para poder llevar a cabo estos dos objetivos es necesario distinguir losprocesos que permiten esta transferencia de calor, definir los coeficientesde transmisión para cada proceso así como definir el coeficiente globalde transmisión resultante de la simultaneidad de los distintos procesosde transferencia térmica.

Se consideran tres formas de transmisión física del calor desde un cuerpocaliente a un cuerpo frío:

- Por conducción.

- Por convección.

- Por radiación.

Conducción

La transmisión de calor por conducción es aquella que se realiza en unmismo cuerpo cuando sus partes presentan temperaturas distintas, otambién entre cuerpos distintos que se encuentran a distintas temperaturas,siempre que estén en contacto físico.

Es el resultado de aumentar la energía cinética parte de las moléculas



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de una sustancia, como se vio en apartados anteriores. Las moléculasque ven aumentada su energía cinética o velocidad van chocando conlas que tienen al lado y éstas a su vez con otras… etc., obteniendo comoresultado la propagación progresiva del calor en esa sustancia, cuerpoo sistema.

Un ejemplo típico de este mecanismo de transmisión de calor es lo queocurre cuando calentamos el extremo de una varilla metálica. Lasmoléculas del extremo ven aumentada su velocidad y comienzan a chocarcon las que tienen a su alrededor, haciendo que la varilla se caliente amedida que pasa el tiempo y se producen choques entre partículas. Éstaes la explicación de que existan zonas diferenciadas, en cuanto atemperaturas se refiere, dentro de la misma varilla; es porque elmovimiento de las partículas es distinto, es decir, el calor se vatransmitiendo de unas a otras a lo largo de un periodo de tiempoconforme se va transmitiendo el movimiento.

Otro ejemplo es lo que pasa cuando metemos una lata de refresco dentrodel frigorífico. El calor del fluido que contiene se va transmitiendo a lalata conforme ésta se enfría.

Entre los distintos materiales que existen se suele hacer una clasificaciónen dos grandes grupos, en función de la facilidad que tengan parapropagar el calor por conducción.

Aquellos materiales que no ofrecen resistencia a la propagación del calorse denominan conductores térmicos. Los metales en general son buenosconductores y, de entre ellos, la plata, el cobre y el aluminio son losmejores.

Los materiales que, por el contrario, ofrecen una gran resistencia a lapropagación del calor por conducción se denominan aislantes ocalorífugos. Entre ellos se encuentran, en general, cuerpos que almacenanaire, como las plumas, la lana y también el corcho, poliestireno, cartón,…etc.

También existen otros materiales que, sin ser aislantes térmicos, propaganel calor en muy poca medida, como pueden ser la madera, el vidrio,bastantes materias plásticas y la cerámica.

Todos estos materiales son muy útiles en la industria, como forros paramangos de objetos que pueden alcanzar temperaturas que pueden serpeligrosas para la piel humana, o como aislantes en construcción deedificios.

Por todo esto se puede deducir que cada cuerpo posee una resistenciaa la propagación del calor que le es propia, debiéndose determinar paracada uno la cantidad de calor que transmite, denominándose esa cantidadde calor coeficiente de conductividad térmica.



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El coeficiente de conductividad térmica de un cuerpo se define comola cantidad de calor que atraviesa en una hora un metro cuadrado dedicho cuerpo, con un espesor de un metro y una diferencia de temperaturade un Kelvin o un grado centígrado entre las dos caras del cuerpo. Estecoeficiente se denota como y sus unidades son vatios por metro cuadradode espesor y por kelvin:

: W/m x K

Otro concepto a tener en cuenta es el flujo de calor que atraviesa uncuerpo, denotado por cuya expresión es:

= x A x ( 1- 2) x 1/e

Dada esta fórmula, vemos como el flujo de calor que atraviesa un cuerpoes proporcional a:

• Coeficiente de conductividad térmica (W/m x K).

• La superficie a través de la cual se realiza el intercambio térmico A(m2).

• La diferencia de temperaturas entre la parte calida y la parte fríahacia donde se propaga el calor 1- 2 (ºC ó K).

y es inversamente proporcional al espesor que atraviesa e (m).

La cantidad de calor transmitida a través del cuerpo durante un tiempot vendrá dada por la expresión:

Q = t = x A x ( 1- 2) x 1/e x t

y se expresará en Julios (J).

Ejemplo: Consideremos el caso de un cuerpo compuesto por distintosmateriales, como puede ser la pared de una cámara frigorífica

Cada uno de estos materiales reaccionará al paso del flujo calorífico dediferente manera, como hemos visto con anterioridad, en función desus coeficientes de conductividad térmica y sus espesores, así que laexpresión correcta que deberemos adoptar para este caso en la siguiente:



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Donde K es el coeficiente de conductividad térmica de un murohomogéneo con un espesor total idéntico al tratado y que viene de lasiguiente expresión:

Para obtener la cantidad de calor transmitida a través de la pared en untiempo determinado, bastará con multiplicar la expresión de por elintervalo de tiempo transcurrido en segundos:

Convección

Este medio de transmisión de calor es típico de los líquidos y de los gases.

La diferencia de temperatura existente en el seno de los fluidos haceque las partículas más calientes pesen menos, provocando variacionesde densidad. Estas variaciones se deben a que las partículas del fluidoque están en contacto con una superficie sólida a distinta temperaturaven variada su velocidad por aporte o cesión de calor, como hemos vistoen otros apartados, creando en las demás partículas del fluido másmovimiento, conocidos como movimientos de convección, que tiendena igualar las temperaturas de los distintos puntos del fluido. Por lo tanto,los movimientos de convección son esenciales en la transmisión de calorde un cuerpo sólido y un fluido.

Existen dos tipos de movimientos de convección: naturales o forzados,por lo que siempre distinguiremos entre convección natural, que es laque se da, por ejemplo, en una instalación convencional de radiadores,y convección forzada, que es la que se produce con la utilización deventiloconvectores (se fuerzan corrientes de aire con ventiladores previosa una batería de agua haciendo que el aire adquiera temperatura cedidapor las baterías).

Ejemplo: El caso del funcionamiento del evaporador en un frigoríficosería también un caso típico de convección donde el vehículo que enfríalos alimentos es el aire que está en contacto tanto con los alimentos, dedonde recoge el calor, como con el evaporador, al que cede o absorbeel calor.

Tal y como ocurría con la convección, si consideramos una superficie Ade un cuerpo sólido a una temperatura 1 en contacto directo con unfluido a temperatura 2, el flujo de calor intercambiado entre el sólidoy el fluido vendrá dado por la expresión:

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y la cantidad de calor transmitida durante el tiempo t tendrá el valor:

donde hc es la cantidad de calor que pasa en una hora desde unasuperficie de un metro cuadrado, expuesta al medio ambiente, cuandola diferencia de temperatura entre dicha superficie y el medio ambientees de un grado Celsius, expresándose, por lo tanto, en W/m2 x K.

El flujo de calor transmitido por convección entre un cuerpo sólido y elfluido que lo rodea depende de diversos factores, como la diferencia detemperatura entre ambos, la velocidad con la que se desplaza el fluido,el material, la forma y las dimensiones del sólido, hecho que hace quelas leyes de la transmisión de calor por convección sean muy complejas.

Para los casos prácticos más comunes tendremos en cuenta que para elaire en calma hc = 5 a 7 W/m2 x K, valor que se eleva hasta 25 W/m2 xK para el aire con una gran agitación.

Radiación

La transmisión de calor por radiación se basa en que todos los cuerposemiten, bajo cualquier temperatura, radiación térmica de naturalezaelectromagnética.

Los rayos caloríficos se propagan en línea recta en el espacio, incluso enel vacío, ya que, al contrario de lo que les sucede a la convección yconducción, la radiación no necesita de ningún medio material parapropagarse.

Un cuerpo con una temperatura elevada emite calor, que es absorbidopor otro cuerpo denominado pantalla, que se encuentra a una temperaturainferior. La parte de calor que no es absorbida por el cuerpo pantalla,es reflejada.

Ejemplo: Un caso típico de calor que nos llega por radiación es el quenos aporta el sol.

Otro es el representado aquí, el calor que proporciona una lámparaincandescente.

La energía calorífica radiada por un cuerpo depende de su temperaturay del estado de su superficie exterior, y se corresponde con la siguienteexpresión:

donde R es una constante del cuerpo emisor y que depende del estadode la superficie del mismo.

Alcanza un valor máximo de 5´675 x 10-8 W/(m2 x K4) recibiendo elcuerpo que emite radiación a esta tasa tan elevada el nombre de cuerpo

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negro. La radiación emitida por superficies reales es menor que la emitidapor un cuerpo negro a la misma temperatura y se expresa como:

donde es la emisividad de la superficie y cuyo valor está comprendidoentre , es una propiedad que nos indica lo que se acerca unasuperficie a un cuerpo negro.

Otra propiedad importante de la radiación de una superficie es suabsorbencia , que nos indica la fracción de la energía de la radiaciónque absorbe. Al igual que la emisividad, es un valor que está entre

.

Un cuerpo negro es un absorbedor perfecto con lo que = 1, es tantoun emisor perfecto como un absorbedor perfecto.

6.6. Medición de la temperatura

El término temperatura hace referencia al nivel de energía caloríficaque posee un cuerpo y que, como toda magnitud física, se puede medir.

Gracias al sentido del tacto podemos apreciar la cantidad de calor queposee un cuerpo o sustancia. Esta apreciación es totalmente subjetiva,ya que depende en todo momento de la persona que experimente lasensación y además es una apreciación que se suele hacer por comparacióny siempre dentro de unos límites, puesto que temperaturas que estánmuy por encima o muy por debajo de temperaturas ambientes habituales,nos producen sensaciones dolorosas de quemazón, como, por ejemplo,tocar un metal al rojo vivo o tocar un trozo de hielo durante muchotiempo. Por lo tanto, vemos cómo el tacto nos conduce a error porqueno es exacto, no tiene un buen rango de sensibilidad y no se puedenrealizar medidas fieles.

Para poder realizar la medida correcta de la temperatura de un cuerpoo sistema debemos cumplir los siguientes puntos:

• No producir alteraciones en el sistema cuya temperatura se deseamedir (exactitud).

• El instrumento que utilicemos para realizar la medición ha de detectarrápidamente las variaciones de temperatura (sensibilidad).

• El rango de temperaturas que ha de detectar el instrumento demedición ha de ser amplio o, por lo menos, el adecuado para losniveles de temperatura a registrar (sensibilidad).

• Cualquier instrumento de medida de temperatura debe proporcionarel mismo valor de temperatura para mediciones realizadas en idénticascondiciones (fidelidad).

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• Las variaciones pequeñas de temperatura deben provocar variacionesapreciables en el aparato de medida (sensibilidad).

Los instrumentos utilizados para realizar mediciones de temperatura sedenominan termómetros y aprovechan la dilatación de algunos cuerpospor el calor, como en el mercurio o el alcohol (fenómeno que trataremosen otro punto del temario). También se pueden utilizar las variacionesde tensión de vapor de algunos fluidos o fenómenos termoeléctricos.

Entre los distintos tipos de termómetros que existen se encuentran lossiguientes:

• Termómetro de mercurio.

• Termómetro de alcohol.

• Termómetros especiales:

- Termómetro de máximas: termómetro de mercurio con unestrangulamiento en la base.

- Termómetros de mínimas: termómetros de alcohol que semantienen en posición horizontal.

- Termómetros de máxima y mínima: se trata de termómetrosmixtos de mercurio y alcohol.

• Termómetro de bulbo termostático.

• Termómetro de par termoeléctrico.

• Termopar.

6.7. Escalas termométricas

Para poder utilizar una base común para realizar mediciones detemperatura se han ido elaborando cientos de escalas a lo largo deltiempo, generadas a partir de estados fáciles de reproducir.

Actualmente, la graduación de los termómetros se realiza partiendo dedos puntos de referencia, A y B, característicos del agua a presiónatmosférica:

• A: la temperatura de fusión del agua.

• B: la temperatura de ebullición del agua.

Estos dos puntos son conocidos como los puntos fijos de la escalatermométrica y corresponden a fenómenos que son fácilmentereproducibles e invariables si se realizan siempre bajo las mismascondiciones de presión.

Después de determinar los dos puntos fijos A y B se divide la longitudde la recta que los une en un cierto número de partes iguales y se obtiene

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lo que se denomina escala termométrica.

A continuación, se detallan las cuatro escalas más utilizadas en la actualidad.

Centígrada o Celsius

Esta escala se consigue después de determinar los puntos fijos de la escalatermométrica A y B, dividiendo en cien partes iguales la distancia quelos separa, con lo que la centésima parte de la distancia entre los dospuntos fijos, representará la unidad de elevación de la escala, denotadopor º C, grado Celsius o grado centígrado.

Fahrenheit

Esta escala termométrica se utiliza en países anglosajones y en Japón.Sus puntos fijos se determinan reproduciendo las mismas pautas seguidasen la determinación de la escala Celsius, pero la diferencia con ésta esque la distancia entre A y B se divide en 180 partes iguales (no en 100),además el punto cero de la escala fue fijado arbitrariamente porFahrenheit, correspondiendo A (0º C en la escala Celsius) a +32º F y porlo tanto B (100º C en la escala Celsius) a 212 º F.

Teniendo en cuenta todas estas correspondencias se establece el siguientecálculo para la conversión de grados Fahrenheit en grados Celsius yviceversa:

hay que considerar la diferencia existente entre los dos puntos cero delas escalas (+32), con lo que obtenemos las formulas de conversiónsiguientes:

Reamur

Esta escala solo se diferencia con la escala Celsius en que el número dedivisiones que se hace del intervalo AB es 80 y no 100.

Kelvin

La escala Kelvin o termodinámica nace de la necesidad de tener una

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escala que sea independiente de las propiedades de una sustancia enSistema Internacional.

En termodinámica se demuestra que –273´15 º C es la temperatura másbaja que puede existir estando el calor totalmente ausente del cuerpo,es decir, el movimiento de las partículas que lo componen es totalmentenula. La unidad correspondiente a esta escala se denota por K.

El cero de la escala Kelvin corresponde a -273´15 grados centígrados,teniendo en cuenta esto y que el grado Kelvin (K) tiene el mismo valorque el grado Celsius (º C), la conversión entre una escala y otra tiene lasiguiente expresión:

6.8. Fenómenos de dilatación

En el apartado correspondiente a medición de la temperatura se hacíareferencia al fenómeno de dilatación de los cuerpos al elevar sutemperatura, así como a la utilidad de este fenómeno para la construcciónde aparatos de medida de la temperatura.

En este apartado se tratarán con detalle los fenómenos de dilatación desólidos y líquidos, estudiando en otro apartado aquellos fenómenos queacompañan a la dilatación de los gases.

Dilatación de los sólidos

La experiencia nos dice que cualquier sólido aumenta su longitud ovolumen de forma proporcional a la elevación de temperatura queexperimenta.

El alargamiento por unidad de longitud y por grado de elevación detemperatura viene dado por la siguiente expresión:

donde:

recibe el nombre de dilatación lineal.

es la longitud final del sólido a º C.

es la longitud inicial del sólido.

es la variación de temperatura experimentada en el proceso.

El coeficiente de dilatación lineal indica el valor del alargamientoexperimentado por la unidad de longitud del sólido cuando su

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temperatura se eleva 1º C. La tabla siguiente recoge los coeficientes dedilatación de algunos materiales:

Por otro lado, hay que saber que el calentamiento de los sólidoshomogéneos provoca un aumento de todas sus dimensiones, es decir, suvolumen aumenta a la vez que su temperatura, definiendo entonces elcoeficiente de dilatación cúbica de un cuerpo como sigue:

Es el aumento de volumen que alcanza la unidad de volumen del cuerposólido cuando su temperatura se eleva un grado Celsius.

Análogamente al coeficiente lineal, también existe el coeficiente dedilatación cúbica, dado por:

donde:

es el volumen del cuerpo sólido a º C.

es el volumen inicial del cuerpo sólido.

es la variación de temperatura experimentada en el proceso por elsólido.

El resultado de la experimentación y del planteamiento de cálculos ydeducciones matemáticas lleva a la conclusión de que la relación existenteentre el coeficiente de dilatación lineal de un cuerpo y el coeficiente dedilatación cúbica es la siguiente:

es decir, el coeficiente de dilatación cúbica es prácticamente igual altriple del coeficiente de dilatación lineal.

Ejemplo: un ensayo muy típico que se suele realizar para ver el fenómenode comprobación de los sólidos es hacer pasar una esfera metálica maciza

MATERIALZinc 2´90 x 10-5

Aluminio 2´24 x 10-5

Cobre 1´70 x 10-5

Hierro 1´22 x 10-5

Platino 0´9 x 10-5

Vidrio ordinario 0´9 x 10-5

Pyrex 0´3 x 10-5

Cuarzo 0´07 x 10-5

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por un aro, comprobando que tiene unas dimensiones inferiores a lasdel aro. Después se retira el aro y se calienta la esfera. El paso siguientees intentar pasar la esfera por el aro; la esfera habrá aumentado susdimensiones al haberse dilatado, comprobando así el fenómeno queestamos estudiando.

Dilatación de los líquidos

A la hora de experimentar con líquidos hay que tener en cuenta quesiempre será necesario un recipiente para contenerlos y que al aplicarlescalor para comprobar su grado de dilatación, los recipientes que loscontienen también se dilatan, lo que nos lleva a deducir que la elevaciónde los niveles que observamos en los líquidos no son las absolutas querealmente ha experimentado.

Es conveniente, por lo tanto, definir el coeficiente de dilatación absolutade un líquido:

Es el aumento de volumen experimentado por la unidad de volumendel líquido para una elevación de temperatura de un grado Celsius,según la expresión:

donde, análogamente al coeficiente de dilatación cúbica de un sólido:

es el volumen del líquido a º C.

es el volumen inicial del líquido.

es la temperatura final del líquido.

La tabla siguiente refleja los coeficientes de dilatación absoluta de algunoslíquidos:

LÍQUIDO mGlicerina 4´9 x 10-3

Acetona 1´4 x 10-3

Benceno 1´2 x 10-3

Alcohol etílico 1´1 x 10-3

Acido acético 1 x 10-3

Tolueno 1 x 10-3

Mercurio 0´182 x 10-3

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Consecuencias y aplicaciones de las fuerzas de dilatación

La principal consecuencia de la dilatación de los sólidos y líquidos esbastante evidente e intuitiva: su volumen aumenta, aunque su masapermanece constante.

Otra consecuencia que se aprecia experimentalmente es que debido alaumento o disminución del volumen de los cuerpos es necesario aplicarfuerzas que, generalmente, serán grandes, para combatir los efectoscausados en las variaciones de los cuerpos; un ejemplo de esto es lautilización de juntas de dilatación en la construcción.

Este punto, en el caso de los líquidos, es más crítico porque, por ejemplo,el aumento del agua al congelarse hace estallar tubería.

A continuación se enumeran algunas aplicaciones de la dilatación de lossólidos y de los líquidos:

• Crioensamblaje: consiste en enfriar una pieza para que se contraigay poder alojarla dentro de otra, de tal forma que cuando vuelva a sutemperatura normal recupere su volumen habitual y se ensamblenfuertemente. Una aplicación sería el acople de un eje dentro de unvolante.

• Termómetros: se basan en la dilatación aparente de un líquido.

• Corrientes de convección: estas corrientes son de aplicación parahacer circular el agua en instalaciones de calefacción central o paraenfriar motores. El líquido caliente, menos denso, sube, descendiendoa la vez el líquido frío, que es más denso. En los casos antesmencionados, el agua se calienta en los puntos más bajos de lainstalación, circulando por termosifón.

6.9. Cero absoluto y escala termodinámica

Como vimos en un capítulo anterior, se ha determinado que la temperaturamás baja posible corresponde a -273º C ó 0º K. A esta temperatura lasmoléculas de un cuerpo carecen de movimiento, es decir, el cuerpo noposee calor. Esta temperatura se denomina cero absoluto; en referenciaa este concepto, y como hemos visto, corresponde con el punto más bajode la escala termométrica del sistema Internacional, la escala Kelvin otermodinámica.

Otro concepto a tratar es el de la ley cero de la termodinámica, que sebasa en el concepto de equilibrio térmico.

Cuando dos cuerpos a distinta temperatura entran en contacto, seestablece un flujo de calor desde el que contiene más calor hacia el quecontiene menos, como ya hemos estudiado. Este flujo se interrumpecuando la cantidad de calor de ambos cuerpos se iguala; en este momento

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se dice que se ha llegado a un estado de equilibrio térmico.

La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentranen equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entresí. Parece algo absurdo, pero si pasamos al terreno práctico se traduceen que: dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando el tercer cuerpo,que es un termómetro, registra la misma temperatura en ambos.

6.10. Unidades de calor

En este apartado se proporciona una tabla completa con las unidades yequivalencias de los conceptos tratados en el punto 6.4

6.11. Fórmulas para la conversión de unidadesde temperatura

En este apartado se recogen fórmulas para realizar la conversión deunidades del apartado anterior:

UNIDADES DE CANTIDAD DE CALORSistema métrico convencional Sistema métrico internacional Sistema yarda libraCal Kcal J kJ Btu1 0.001 4.186 0.004186 0.003968

1´000 1 4186 4.186 3.9680´2389 0.0002389 1 0.001 0.0009480238´9 0.2389 1000 1 0.9480

2.5 0.2520 1055 1.055 1

CONVERSIÓN DE UNIDADES DE CALORPASO DE UNIDADES FÓRMULA DE CONVERSIÓN

Cal=>kcal kca=0´0001xcalkcal=>cal cal=1000xkcalkcal=>kJ kJ=4´186xkcalkJ=>kcal Kcal=0´2389xkJkcal=>Btu Btu=3´968xkcalBtu=>kcal kcal=0´2520xBtuBtu=>kJ kJ=1´055xBtukJ=>Btu Btu=0´9480xkJJ=>kJ kJ=0´001xJkJ=>J J=1000xkJ

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6.12. Calor específico

Como ya sabemos, es necesario proporcionar calor a un cuerpo o sustanciapara elevar su temperatura.

También somos conscientes, de una forma intuitiva, de que sisuministramos cantidades iguales y constantes de calor a sustanciasdistintas, en periodos de tiempo iguales, las temperaturas que alcanzanlas sustancias son diferentes.

Ejemplo: Si durante cinco minutos suministramos el mismo número decalorías a un litro de agua y a un litro de alcohol etílico y medimos sustemperaturas, constatamos que estas temperaturas no son iguales.

Por lo tanto es fácil deducir que para masas iguales de sustancias ocuerpos distintos es necesario suministrar cantidades de calor distintassi se pretende conseguir la misma temperatura en ambos.

Además esta deducción nos lleva a pensar en la existencia de una magnitudque marque la cantidad de calor que es necesaria para elevar una unidadde masa de ese cuerpo de una temperatura a otra.

Esta magnitud se denomina calor específico y se define como sigue:

El calor específico de un cuerpo es la cantidad de calor c que hace faltasuministrar a la unidad de masa de ese cuerpo para elevar su temperaturaun grado Kelvin o un grado centígrado.

El calor específico de un cuerpo o sustancia puede ser hallado despejandode la fórmula siguiente:

donde:

Q es el calor aportado a la sustancia en J

c es el calor específico del cuerpo o sustancia en J/kgxK ó J/kgxºC

m es la masa del cuerpo o sustancia considerado en kg

y son las temperaturas inicial y final del cuerpo o sustancia enK o en º C (pero siempre en las mismas unidades ambas).

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A continuación se da una tabla con los calores específicos de algunosmateriales:

Como dato informativo, cabe destacar, que el agua posee el calor específicomás alto de todos los cuerpos, que como ya hemos dicho, se traduce enque su calentamiento o enfriamiento se producen más despacio.

Este hecho explica varios fenómenos que nos encontramos a nuestroalrededor:

Ejemplo: La regulación del clima gracias a los mares y océanos. El aguanecesita absorber o ceder mucho calor para cambiar su temperatura(calor específico alto), por lo que los mares y océanos juegan un papelimportante en la regulación del clima, absorbiendo el calor que paranosotros sería excesivo o cediéndonos el que nos es necesario.

Ejemplo: Otra utilidad del agua es como fluido refrigerante en instalacionesde frío o fluido caloportador en instalaciones de calor. Al ceder o absorbergran cantidad de calor y sólo experimentar cambios de temperaturapequeños (con respecto a las demás sustancias) es muy utilizada en lasinstalaciones antes nombradas.

Como último apunte, indicaremos que para sólidos y líquidos el calorespecífico es independiente de la temperatura, pero en el caso de losgases varía con estas dos magnitudes y es un factor que se tendrá encuenta en los puntos correspondientes de este temario.

6.13. Calor latente

Antes de hacer las definiciones que corresponden a este apartado, esnecesario que se introduzcan brevemente algunos conceptos que setratarán con más detalle en puntos sucesivos de este temario.

Se trata de conceptos que hacen referencia a los estados físicos de lamateria en la naturaleza.

La materia se puede encontrar en la naturaleza en tres formas físicas,que se denominan estados físicos de la materia y que son los siguientes:

CALORES ESPECÍFICOSCUERPO c (kJ/kgxK)

Agua 4´185Alcohol 2´469Hielo 2´093Cristal 0´837Hierro 0´465Cobre 0´397Mercurio 0´138Plomo 0´120

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• Sólido

• Líquido

• Gaseoso

Además de encontrar la materia en estos tres estados, es necesario decirque un cuerpo que está en un estado determinado puede pasar a otrosi se le suministra la energía o calor necesario para que se produzca dichocambio. Los cambios de estado que se pueden producir son los siguientes:

• Fusión: paso de estado sólido a líquido.

• Evaporación: paso de estado líquido a gas.

• Condensación: paso de estados gas a líquido.

• Solidificación: paso de estado líquido a sólido.

• Sublimación: paso de estado sólido a estado gas.

Con este breve adelanto de conceptos ya se pueden definir los distintospuntos a tratar en este apartado.

Se denomina calor latente a la cantidad de calor que hay que suministraro extraer a la unidad de masa de un cuerpo para provocar en él uncambio de estado, sin que esto provoque un cambio de temperatura.

Como ya se apunta, este aporte de calor produce un cambio de estadopero no de temperatura. Este tipo de proceso se denomina endotérmico.

Así pues, definimos distintos tipos de calor latente correspondientes adistintos cambios de estado:

• Calor latente de solidificación: Es la cantidad de calor que es necesarioextraer de un cuerpo líquido para que pase a estado sólido sin quevaríe la temperatura de dicho cuerpo.

• Calor latente de fusión: Es la cantidad de calor que es necesariosuministrar a un cuerpo sólido para que pase a estado líquido sinque varíe la temperatura de dicho cuerpo.

• Calor latente de evaporación: Es la cantidad de calor que es necesariosuministrar a un cuerpo líquido para que pase a estado gas sin quevaríe la temperatura de dicho cuerpo.

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• Calor latente de condensación o licuefacción: Es la cantidad de calorque es necesario extraer de un cuerpo en estado gaseoso para quepase a estado sólido sin que varíe la temperatura de dicho cuerpo.

Para tener un orden de magnitud, a continuación se proporciona unatabla con el calor latente de fusión de algunas materias:

Para concluir, diremos que en procesos frigoríficos son útiles los fluidoscon un elevado calor latente, que se traduce en una elevada capacidadde absorción de calor para obtener su evaporación a la temperatura quedeseamos.

6.14. Calor Sensible

Si en el apartado anterior hacíamos referencia a una cantidad de calorque no producía variación de temperatura pero sí variación en el estadode cuerpo que lo absorbiera o cediera, en este caso se hará referenciaal concepto contrario, es decir, a aquel calor que hace variar la temperaturade un cuerpo sin que varíe su estado físico.

Se define así el calor sensible:

Cantidad de calor que extraída o aportada a un cuerpo es capaz de hacerque su temperatura disminuya o aumente respectivamente, sin que seproduzca ningún cambio de fase en el cuerpo.

Este cambio de temperatura es función de la cantidad de calorintercambiado y de una característica física del cuerpo en cuestión: elcalor específico.

CALOR LATENTE DE FUSIÓNSUSTANCIA kJ/kgHielo 335Aluminio 335Anhídridocarbónico

184

Cobre 180Glicerina 176Plomo 23Mercurio 12

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6.15. Definición de sustancia pura

En este apartado se va a definir el concepto de sustancia pura, que servirácomo base para el estudio de los estados físicos de la materia o fases dela materia, conceptos que se trataron brevemente en uno de los apartadosanteriores.

Una sustancia pura es aquella que se caracteriza porque tiene unacomposición física fija.

Ejemplo: Algunas sustancias puras son el agua, el nitrógeno, el helio oel dióxido de carbono.

Tal y como dan a entender los ejemplos, una sustancia pura no es aquellaque está compuesta de un único elemento, como el nitrógeno o el helio,sino que también puede ser un compuesto de varios elementos, comoel agua o el dióxido de carbono.

Una sustancia pura puede ser incluso una mezcla de diferentes elementoso compuestos químicos, siempre que cumpla que es una mezclahomogénea. Dos casos claros de mezcla homogénea y de mezclaheterogénea son el aire y una mezcla de agua y aceite respectivamente.

El aire es una mezcla de gases que se suele considerar como una sustanciapura ya que tiene una composición química uniforme.

Para el caso del agua y el aceite, como el aceite no es soluble en agua,se mantendrá sobre la superficie de ésta, formando dos regionesquímicamente distintas y heterogéneas, por lo que nunca podremoshablar de una sustancia pura.

Como ya se adelantó en un apartado anterior, a la materia la podemosencontrar dentro de la naturaleza en distintos estados físicos o fases.

Una mezcla de dos o varias fases de una misma sustancia pura se consideratambién como una sustancia pura si sus distintas fases siguen manteniendola misma composición química.

Ejemplo: El caso de la coexistencia de hielo con agua líquida es unejemplo de una mezcla de dos estados físicos de la misma sustancia y conla misma composición química las dos, por lo que se trata de una sustanciapura.

Con estas definiciones previas ya podemos tratar con más detalle lossiguientes apartados.

6.16. Estados físicos de una sustancia pura

Por experiencia sabemos que la materia puede existir en la naturaleza(es decir, a la temperatura y presión de la superficie terrestre) en tresformas físicas distintas, que se denominan estados físicos de la materiao fases de una sustancia.

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Estas tres formas físicas son las siguientes:

• Sólido

• Líquido

• Gas

Y los parámetros que las caracterizan son los siguientes:

Sólido:

Intuitivamente sabemos que un sólido es cualquier sustancia física queconserva su forma incluso cuando no se encuentra en un envase.

Esta característica se debe a que moléculas en un sólido se encuentrana muy poca distancia entre sí; además, las fuerzas de atracción entre ellasson grandes y las mantienen en posiciones fijas. Las fuerzas de atraccióngeneran, a la vez, fuerzas de repulsión, que ayudan a mantener lasdistancias entre las moléculas evitando que se apilen unas sobre otras.

Líquido:

Una sustancia líquida se caracteriza porque adopta libremente la formade su envase.

En este caso, el espacio intermolecular es parecido al del estado sólido,con la diferencia de que ya no mantienen posiciones fijas entre sí, sinoque los grupos de moléculas flotan unos en torno de otros.

Gas:

Un gas es una sustancia que debe ser encerrada en un recipiente selladopara evitar que se escape a la atmósfera.

Las moléculas de una sustancia gaseosa están bastante apartadas unas deotras y, a diferencia de los sólidos y líquidos, no guardan ningún orden.

Las moléculas que componen la sustancia, se mueven al azar y chocanentre sí y con las paredes del envase que las contiene.

Además de estas tres fases principales una sustancia puede tener másfases dentro de una de estas fases principales, como puede ser el casodel carbón, que en su fase sólida puede existir como grafito o comodiamante.

Es el caso de las sustancias en general, aunque en este tema sólo tratamoslos tres estados físicos principales de la materia, así como en los siguientespuntos el cambio de un estado a otro.

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6.17. Cambios de estado físicos

Aunque lo normal sea que a presión y temperaturas normales en lasuperficie terrestre, es decir, en condiciones normales, una sustancia, seencuentre en un estado físico según sus características, esta mismasustancia puede estar presente en la naturaleza en más de un estadosfísico, como puede ser el caso del agua, que podemos encontrarla enestado sólido (en las zonas frías terrestres o en estaciones con malaclimatología), líquido (en los mares, océanos, etc., en zonas donde lastemperaturas no sean demasiado bajas)o gaseoso (en general, en laatmósfera).

El estado físico de un cuerpo o sustancia se puede cambiar mediante laaportación o sustracción de calor.

Como llevamos estudiando desde el principio del temario, el calor estárelacionado con el movimiento de las moléculas; además, el puntoanterior relacionaba estado físico con la ordenación de las moléculas.

Lo que ocurre es lo siguiente: un cuerpo o sustancia tiene unas moléculasque se ordenan de una forma o de otra en función de la velocidad ocantidad de energía (calor) que posean. Esta ordenación será la quedetermine el estado físico de ese cuerpo o sustancia.

Si en algún momento aportamos o sustraemos calor del cuerpo encuestión, la velocidad o energía de sus moléculas, así como su ordenación,cambiarán. Si continuamos con la adición o sustracción de calor llegaráun momento que las variaciones en la velocidad y en la ordenación desus moléculas habrán cambiado tanto que se producirá un cambio deestado físico en el cuerpo, también denominado cambio de fase.

Los cambios de una fase a otra de la materia se denominan como seindica en el siguiente diagrama de flujo:

En el diagrama se distinguen dos sentidos distintos en el flujo. Todos loscambios fase que supongan cambiar de un estado que está a la izquierdaa un estado que está a la derecha, suponen una aportación de calor. Porel contrario, todos los cambios de fase que supongan cambiar de unestado que esté a la derecha a otro que se encuentre a su izquierda,supone una cesión de calor por parte de la sustancia.

SÓLIDO

FUSIÓN EVAPORACIÓN

SOLIDIFICACIÓN

LÍQUIDO GAS

CONDENSACIÓN

SUBLIMACIÓN

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Analicemos primero aquellos cambios de fase que supongan una cesiónde calor por parte del cuerpo (enfriamiento):

Condensación

Antes de proceder a la determinación del concepto, hay que introduciralgunos conceptos previos que nos ayudarán a comprender mejor estecambio de fase.

El paso de una sustancia líquida a gaseosa sigue el siguiente proceso:cuando aportamos calor a la sustancia en cuestión, hacemos que aumentesu temperatura hasta el momento que comienza la ebullición. Aquí, elaumento de temperatura se detendrá, invirtiendo todo el calor que sele siga suministrando únicamente en realizar el cambio de fase, pasandoprogresivamente de líquido a gas. Durante este proceso progresivo,tendremos una mezcla de líquido-vapor en distintas proporciones. Estamezcla recibe el nombre de mezcla saturada líquido-vapor y el vaporexistente en la mezcla, vapor saturado.

El proceso continua hasta el instante en que la última gota de líquidopasa a estado gas. En este momento cualquier extracción de calor haríaque el vapor volviera a generar gotas de líquido.

Si se pasa este punto y se continúa calentando el vapor generado,observaremos cómo comienza a incrementar la temperatura de nuevo,así habremos conseguido vapor seco.

Por lo tanto distinguiremos dos tipos de vapor:

• Vapor seco: es aquel que se encuentra en condiciones diferentes alcambio de fase, es decir, es aquel que no está a punto de generarlíquido y que conocemos como gas.

• Vapor saturado: es aquel que se encuentra en equilibrio con el líquidoque lo produce. La naturaleza de cada sustancia determina su presión

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o tensión de saturación, que es la presión a la que empieza a hervira una temperatura dada. De la misma forma se define la temperaturade saturación, que será aquella en que una sustancia comienza ahervir dada una presión.

Si todo el proceso detallado se invierte, se produce lo que llamamoscondensación, que se define como el paso de una sustancia que está enestado gas a estado sólido.

Este cambio de estado se puede producir por dos razones:

• Por enfriamiento, es decir, por extracción de calor, hasta la temperaturacorrespondiente a la tensión o presión de vapor saturado del líquidoconsiderado.

• Por compresión a una tensión igual a la tensión o presión de vaporsaturado del fluido a la temperatura considerada.

Solidificación

Este cambio de fase sigue un patrón similar al descrito anteriormenteen el proceso de calentamiento de una sustancia pura, en realidad setrata del mismo proceso pero a la inversa y partiendo de una sustanciaen estado líquido, más concretamente, de una sustancia cuya temperaturase encuentra por debajo de la temperatura de saturación, denominadolíquido subenfriado.

En la primera parte del cambio de fase se produce un enfriamiento lento,progresivo y continuo de la sustancia en estado líquido.

Haciendo mención a otros puntos, aquí solo se cede calor sensible, loque supone que la sustancia ve disminuida su temperatura sin que seproduzca cambio de fase hasta que se alcanza una temperatura a la quese empiezan a formar cristales.

Aquí empieza la siguiente parte del proceso, sólo se cede calor latente,

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lo que supone que no hay variación de temperatura pero se van formandomás cristales y, en definitiva, un sólido.

La última parte del proceso comienza cuando la última gota de líquidopasa a estado sólido, entonces se produce un descenso de temperaturaregular y progresiva del cuerpo sólido que se ha formado.

Se define así el calor latente de solidificación de una sustancia pura: esel calor que es necesario extraer de la unidad de masa conducida a sutemperatura de solidificación para hacerla pasar del estado líquido alestado sólido.

A continuación se enumeran varias conclusiones y condiciones a teneren cuenta en el proceso de solidificación de las sustancias puras:

• La temperatura de solidificación de una sustancia pura es unaconstante física y es función de la naturaleza del cuerpo y de supresión.

• El fenómeno de solidificación de cuerpos simples diferentes sonsimilares, con la salvedad que de un cuerpo a otro varían lastemperaturas de fusión.

• La solidificación conlleva una disminución de volumen, siendoexcepciones el agua, la plata y algunos otros cuerpos.

Bajo una misma presión:

• Una sustancia pura líquida empieza siempre a solidificarse a la mismatemperatura.

• La temperatura de solidificación de una sustancia pura permanecefija durante toda la duración del fenómeno.

Ejemplo: el que se produce cuando encendemos una vela.

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La cera al calentarse se vuelve líquida, pero al alejarse de la llama comienzaa ceder su calor empezando así el proceso de enfriamiento y vuelve alestado sólido, se solidifica, cuando se ha alcanzado el punto desolidificación.

Fusión

Este cambio de estado corresponde al paso de una sustancia pura desólido a líquido, es decir, se trata del proceso inverso al estudiado en lasolidificación.

Se comienza el ciclo con un aporte de calor que provoca el aumento detemperatura del cuerpo sólido.

Después comienzan a aparecer gotas del líquido que se empieza a formar;en este momento empieza la fusión franca. Durante este intervalo no seproduce aumento de temperatura, tan sólo se aprovecha el aporte decalor en el cambio de estado o fase.

La última parte del proceso comienza cuando la última partícula decuerpo sólido se ha fundido y ha pasado de estado sólido a líquido.

La temperatura en la que la sustancia comienza el cambio de estado sedenomina temperatura o punto de fusión

De la misma forma que se define el calor latente de solidificación sedefine el calor latente de fusión: es la cantidad de calor que es necesarioaportar a la unidad de masa de ese cuerpo, previamente conducido a sutemperatura de fusión, para hacerlo pasar del estado sólido al estadolíquido sin que se produzca cambio de temperatura.

Como conclusiones y condiciones hay que tener en cuenta las siguientes:

• Como se observa en las gráficas de este apartado y en la del anteriorhay un intervalo de tiempo, que corresponde al cambio de fase, del

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paso de sólido a líquido o viceversa, y que para una misma sustanciapura coincide.

Se trata del punto de fusión y del punto de solidificación, que parauna sustancia pura se tratará del mismo valor, ya que la única diferenciaque hay es que el calor que interviene en el proceso, es “suministrado”o “extraído” de la sustancia, pero se trata siempre de la misma cantidadde calor.

• La temperatura de fusión de una sustancia pura, al igual que la desolidificación, es una constante física y es función de la naturalezadel cuerpo y de su presión.

• Si variamos la presión soportada por un cuerpo también variamos sutemperatura de fusión, pero para que se produzcan cambios apreciablesen dicha temperatura es necesario producir cambios importantes enla presión bajo la que se producen los cambios de estado.

Bajo una misma presión:

• Una sustancia pura líquida empieza siempre a fundirse a la mismatemperatura.

• La temperatura de fusión de una sustancia pura, así como la desolidificación, permanece fija durante toda la duración del fenómeno.

Con límites de presión débiles, la temperatura de fusión de un cuerposimple es invariable y se denomina punto de fusión. En la siguientegráfica se indica el punto de fusión de algunos cuerpos simples:

Ejemplo: El ejemplo de la vela mostrado en el apartado anterior contemplael proceso de fusión de la cera que la compone. Cuando se enciende lallama de la vela la cera más cercana a la llama se calienta, es decir, absorbecalor y pasa de estado sólido a líquido.

PUNTO DE FUSIÓNSUSTANCIA ºCTungsteno 3410Cobre 1083Aluminio 658Plomo 327Azufre 113Fósforo 44Agua (por definición) 0Mercurio -39Alcohol etílico -117Oxígeno -200Nitrógeno -210Hidrógeno -259

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En ocasiones se da un fenómeno que debemos tener en cuenta y que nosigue el patrón descrito en una fusión normal, es el fenómeno de lasobrefusión.

Este fenómeno es consecuencia de un estado de equilibrio inestable yconsiste en llevar un líquido puro a estado líquido pero por debajo desu temperatura de solidificación, además no existirá solidificación hastaque no se vuelva a alcanzar la temperatura de fusión.

Se trata de un estado de equilibrio inestable y cualquier pequeña alteración,como por ejemplo la adición de una pequeña porción de sólido o unligero golpe al recipiente que lo contiene, producirá que este estadocese bruscamente y la temperatura vuelva nuevamente a la temperaturade solidificación. Este cambio de estado hará que la temperatura delsólido disminuya progresivamente como si el fenómeno no hubieseexistido.

Ejemplo: La formación de escarcha es el resultado de este fenómeno,que es debido al enfriamiento lento del agua, en ciertas nieblas quecuando llegan a tocar el suelo producen la solidificación inmediata deagua helada.

Como regla general se indica en el apartado anterior que los cuerposaumentan de volumen al fundirse, manteniéndose constante la masa delcuerpo, por lo que, como consecuencia, se produce una disminución dela masa volumétrica. Es un hecho que se comprueba con facilidad cuandotenemos un sólido en un recipiente y empieza a solidificarse, siempre laparte sólida se queda en el fondo del recipiente.

Son excepciones de esta regla la plata, el bismuto y el agua.

Ejemplo: El agua que circula por las tuberías de abastecimiento, si eninvierno se congela hace que dichas tuberías estallen debido al aumentode volumen que supone el cambio de estado.

El agua que se filtra por las porosidades de las rocas hace que se agrietencuando ésta se congela en su interior.

La masa volumétrica del agua líquida es mayor que su masa volumétricaen estado sólido, lo que justifica que cuando se producen masas de hieloen lagos, por ejemplo, dichas masas se queden en la superficie y la partelíquida ocupe los niveles más bajos.

Evaporación

La evaporación es el cambio de estado físico de un cuerpo o sustanciaque consiste en el paso de estado líquido a gaseoso. Para el estudio deeste cambio de estado físico, recordemos simplemente el proceso descritoen el apartado correspondiente a la condensación cuando se estudiabanalgunos conceptos previos.

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El paso de una sustancia líquida a gaseosa sigue el siguiente proceso:

Cuando aportamos calor a la sustancia en cuestión, hacemos que aumentesu temperatura hasta el momento que comienza la ebullición, entonces,el aumento de temperatura se detiene, invirtiendo todo el calor que sele siga suministrando únicamente en realizar el cambio de fase, pasandoprogresivamente de líquido a gas. Durante este proceso progresivo,tendremos una mezcla de líquido-vapor en distintas proporciones. Estamezcla recibe el nombre de mezcla saturada líquido-vapor y el vaporexistente en la mezcla, vapor saturado.

El proceso continua hasta el instante en que la última gota de líquidopasa a estado gas. En este momento cualquier extracción de calor haríaque el vapor volviera a generar gotas de líquido.

Si se pasa este punto y se continúa calentando el vapor generado,observaremos cómo comienza a incrementar la temperatura de nuevo,así habremos conseguido vapor seco.

Por lo tanto distinguiremos dos tipos de vapor:

• Vapor seco: es aquel que se encuentra en condiciones diferentes alcambio de fase, es decir, es aquel que no está a punto de generarlíquido y que conocemos como gas.

• Vapor saturado: es aquel que se encuentra en equilibrio con el líquidoque lo produce. La naturaleza de cada sustancia determina su presióno tensión de saturación, que es la presión a la que empieza a hervira una temperatura dada. De la misma forma se define la temperaturade saturación, que será aquella en que una sustancia comienza ahervir, dada una presión.

La presión máxima de saturación del vapor saturante de un cuerposimple aumenta con la temperatura. En el caso del agua se utiliza la

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fórmula empírica de Duperray para valorar esta variación:

La evaporación de un líquido se detiene cuando la presión del vaporalcanza el valor máximo de la tensión del vapor saturante a la temperaturaque se esté considerando. En el caso de que se evapore todo el líquidoantes de alcanzar el valor de presión máxima, la evaporación del líquidoes total y el vapor resultante es vapor seco.

El proceso de evaporación comienza de forma progresiva hasta que sealcanza la temperatura de saturación, es decir, el momento en que elcalor que se sigue aportando no provoca cambios en la temperatura,sino que se emplea en el cambio de fase. En este momento se produceun fenómeno en el seno del líquido que consiste en la formación degrandes burbujas de vapor que llegan a la superficie líquido haciendoque se agite tumultuosamente y se aumenta considerablemente lavelocidad de evaporación.

Este fenómeno se denomina ebullición y la temperatura fija en que seproduce (a una presión dada), se denomina temperatura de ebullición.

Un líquido siempre entra en ebullición a la temperatura bajo la cual supresión de vapor saturante es igual a la presión soportada por dicholíquido.

Las condiciones exteriores a la sustancia que se evapora influyen en elproceso de la siguiente forma:

• En el vacío la evaporación de una sustancia es instantánea.

• Dentro de un gas soluble en la sustancia líquida la evaporación esprogresiva.

• Dentro de un gas no soluble en la sustancia líquida la presión delvapor saturante es la misma que en el vacío.

• El proceso de evaporación se localiza en la superficie del líquido quese evapora y hacen que la velocidad de proceso aumente cuando:aumenta la superficie de contacto del líquido con el aire, aumentala velocidad de circulación del aire que está en contacto con lasuperficie del líquido y aumenta la temperatura del líquido o disminuyela presión su entorno.

El calor latente de evaporación se define como la cantidad de calornecesaria para hacer que la unidad de masa de una sustancia pase deestado líquido a gaseoso sin que su temperatura varíe.

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En la siguiente tabla se indican el calor latente lV de algunas sustanciasa su temperatura de evaporación TV bajo presión atmosférica:

Sublimación

La sublimación es el cambio de estado físico que corresponde al paso deun cuerpo sólido a gas sin pasar por el estado líquido.

Solo algunas sustancias pueden realizar este cambio que se produce apresión constante y a una temperatura determinada.

Ejemplo: La naftalina o el alcanfor en estado sólido, al dejarlos al airelibre lentamente se evaporan, pasando de estado sólido directamente agas.

Es el caso también de otras sustancias como la nieve carbónica, el yodoy el arsénico.

Los olores característicos de muchas sustancias sólidas, como el yodo, elnaftaleno, el yodoformo y los perfumes sólidos, son debidos a que estassustancias tienen una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente.

La sublimación se debe a que algunas de las moléculas de un sólidopueden vibrar muy rápidamente, vencer las fuerzas que las unen entresí y escapar como moléculas gaseosas al espacio libre, dando comoresultado la sublimación del sólido. También se puede dar el procesoinverso, al chocar las moléculas gaseosas contra la superficie del sólido,pueden quedar retenidas y producirse la condensación del vapor. Elequilibrio que tiene lugar cuando la velocidad de sublimación y la decondensación son iguales se caracteriza por una presión de vapor quedepende de la naturaleza del sólido y de la temperatura.

El proceso de sublimación va acompañado necesariamente de unaabsorción de energía térmica, es decir, es necesario que el sólido encuestión absorba calor para que se dé el cambio de fase. La cantidad deenergía térmica que se necesita para sublimar a temperatura constantela unidad de masa de una sustancia en estado sólido se denomina energíao calor latente de sublimación.

CALOR LATENTESUSTANCIA TV (ºC) lV (kJ/kg)Refrigerante 12 -30 167Refrigerante 22 -40 234Éter +35 376´5Benceno +80 876´5Cloruro de metilo -23 431Alcohol +78 904Amoníaco -33 1427Agua +100 2247´5

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El calor latente de sublimación de una sustancia es igual a la suma delcalor latente de fusión más el calor latente de vaporización

Existe una ecuación muy útil para determinar los calores latentes de uncambio de estado que se denomina relación de Clapeyron y que en loscasos de sublimación ls y fusión lf se expresa de la siguiente forma:

donde:

l es el calor latente

T es la temperatura de transformación en K

v es la diferencia del volumen específico después y antes de latransformación vf - vi en m3/kg

p se refiere a la diferencia de presión antes y después de la transformaciónen Pa

También se puede contar con otra expresión denominada relación deClausius Clapeyron, para la determinación del calor latente de unasustancia cuando existe la presencia de una fase de vapor, es decir, paracambios de sublimación y para evaporación, pero es mucho más compleja,ya que requiere conocimientos matemáticos en cuanto a ecuacionesdiferenciales:

Evaporación

Sublimación

donde:

es el volumen específico del gas

es el volumen específico del líquido

es el volumen específico del sólido

Si el valor del volumen específico del gas es muy grande con respecto alos valores de los volúmenes específicos del líquido y del sólido la relaciónqueda como sigue:

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6.18 Saturación

La saturación hace referencia a una parte de los procesos de evaporacióno condensación tal y como se ha estudiado en apartados anteriores.

En concreto hay tres conceptos a observar: líquido saturado, vaporsaturado y mezcla saturada líquido-vapor.

• Líquido saturado: esta condición se da cuando una sustancia haabsorbido calor hasta el límite que marca el punto t1 de la gráfica.

Cuando la mezcla alcanza este punto se dice que se tiene líquidosaturado y cualquier adición de calor provoca la evaporación de unaparte del mismo.

• Vapor saturado: cuando la temperatura de una sustancia gaseosa baja,debido a una cesión o extracción de calor, hasta un punto en el quecualquier pérdida de calor supondría la condensación de una partedel vapor, se dice que se ha llegado a la condición de vapor saturado.Esta condición coincide con el punto t2 de la gráfica.

Como se refleja en la gráfica la temperatura del líquido saturado yla del vapor saturado de una sustancia son las mismas dada unapresión.

• Mezcla saturada líquido-vapor: esta condición se da en una sustanciacuando se encuentra entre los puntos t1 y t2, es decir, cuando ellíquido y el vapor coexisten en equilibrio. Durante esta parte delcambio de fase la temperatura permanece constante ya que toda laaportación o substracción de calor se emplea en realizar el cambiode fase, ya sea de sólido a líquido o viceversa.

El diagrama de presión-temperatura muestra la forma de la curva desaturación de una sustancia.

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Se distinguen tres partes: zona de líquido, zona vapor, y curva líquidovapor.

Conociendo la curva de una sustancia y la correspondencia entre unapresión y temperatura dada o viceversa, se puede saber si dichas sustanciase encuentra en estado líquido, vapor o si se trata de una mezcla líquido-vapor.

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Otros datos que se pueden hallar a partir de la curva son la temperaturade saturación correspondiente a una presión y la presión de saturaciónpara una temperatura.

Recalentamiento

La cantidad de recalentamiento S.H. se determina aplicando la ecuaciónsiguiente:

donde:

es la temperatura del vapor recalentado

corresponde a la temperatura de saturación correspondiente a lapresión

Subenfriamiento

La cantidad de subenfriamiento S.C. se determina aplicando la ecuaciónsiguiente:

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donde:

es la temperatura de saturación correspondiente a la presión

es la temperatura del líquido subenfriado

6.19 Diagramas de propiedades para procesosde cambios de fase

Los diagramas de propiedades para procesos de cambios de faserepresentan en forma gráfica las propiedades termodinámicas de sustanciasreales.

Los diagramas más comunes que se emplean son:

• Diagrama T-V temperatura-volumen.

• Diagrama P-V presión-volumen (diagrama de Clapeyron).

• Diagrama P-T presión-temperatura.

Si, para un diagrama dado, se escogen las variables principales en formaadecuada, es posible deducir todas las variables termodinámicas deimportancia a partir de las propiedades que aparecen en el diagrama.

En los próximos párrafos presentaremos en cierto detalle cada uno deestos diagramas para una mejor comprensión de los ciclos y las máquinasfrigoríficas.

Diagrama T-v

Como se ha ido estudiando en puntos anteriores, el cambio de fase deuna sustancia a una presión dada, queda representada en un diagramaT-v (temperatura-presión) como sigue:

Primero se produce un aumento en la temperatura de la sustancia líquidahasta llegar al punto de saturación, donde el proceso continúa pero atemperatura constante y cuando la última gota de líquido desaparece,

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llegando a línea de gas saturado, la temperatura de la sustancia en estadode gas sobrecalentado vuelve a elevarse.

La figura que podemos observar corresponde al proceso para una mismasustancia y para distintas presiones.

Observando la figura vemos cómo al aumentar la presión, la líneahorizontal de saturación va acortándose, convirtiéndose en un puntocuando alcance un valor determinado que depende de cada sustancia.

Este punto se denomina punto crítico y se define como el punto al cuallas propiedades de la fase líquida y gaseosa se hacen tan similares comopara ser indistinguibles.

La temperatura, la presión y el volumen de una sustancia en el puntocrítico se denominan, temperatura crítica TCR, presión crítica PCR yvolumen crítico VCR.

A presiones por encima de la crítica no hay procesos de cambio de fase,es decir no se produce ebullición, aumentando el volumen específicocon continuidad, existiendo en todo momento una sola fase que al finalse asemejará al vapor pero no se podrá determinar cuando se produjoel cambio.

Por encima del estado crítico no hay líneas que separen las regiones delíquido comprimido y de vapor sobrecalentado, pero comúnmente sesuele denominar a la sustancia como líquido comprimido a temperaturaspor debajo de la temperatura crítica y vapor sobrecalentado por encimade dicha temperatura.

Si unimos los puntos de líquido saturado obtenemos la línea de líquidosaturado y de la misma forma uniendo los puntos de vapor saturadoobtenemos la línea de vapor saturado, uniéndose ambas en el puntocrítico como muestra la figura.

Los estados de líquido comprimido se localizan a la izquierda de la líneade líquido saturado y se denomina región de líquido comprimido. Todoslos estados de vapor sobrecalentado se encuentran a la derecha de la

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línea de vapor saturado que se conoce como región de vaporsobrecalentado. En ambas regiones la sustancia existe en una sola fase,líquido o vapor.

Los estados donde coexisten ambas fases, líquido y vapor en equilibriose localizan en la región que queda entre las líneas de líquido y vaporsaturado, denominándose región de mezcla saturada de líquido-vaporo región húmeda.

Diagrama P-v

El diagrama P-v (presión-volumen) no difiere mucho del diagrama T-vvisto con anterioridad, salvo que las líneas de temperatura constante oisotermas representadas en este diagrama tienen una tendenciadescendente:

Al igual que en los diagramas T-v, si se unen los puntos de líquido saturadode las distintas isotermas y los de vapor saturado, se obtienen las líneasde líquido saturado y vapor saturado que se unen en el punto crítico.

También se distinguen las mismas regiones que en diagrama anteriorque además se sitúan en las mismas zonas.

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El diagrama P-v se puede ampliar para incluir en él la fase sólida asícomo las regiones de sólido-líquido y sólido-vapor:

El diagrama P-v de la izquierda corresponde a una sustancia que secontrae al congelarse y el de la derecha a una sustancia que se expandeal congelarse.

Los diagramas ampliados T-v son similares a los diagramas P-v, sobre todopara sustancias que se contraen al congelarse.

Como ya se ha visto, dos fases de una misma sustancia pueden coexistiren equilibrio. De la misma forma también pueden coexistir en equilibriolas tres fases de una sustancia.

En los diagramas T-v y P-v este equilibrio de tres fases forma una líneaque se denomina línea triple.

Los estados contenidos en la línea triple tienen la misma presión ytemperatura y sólo difieren en sus volúmenes específicos.

Diagrama P-T

En la siguiente imagen se muestra el diagrama P-T de una sustancia purao diagrama de fase ya que las tres fases se separan entre sí mediante treslíneas:

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En estos diagramas la línea triple se convierte en un punto que sedenomina punto triple.

Las líneas que separan las tres fases convergen en el punto triple dondelas tres fases coexisten en equilibrio.

La línea de vaporización acaba en el punto crítico ya que no se puedendistinguir las fases líquida y de vapor por encima del punto crítico.

Las sustancias que se expanden y se contraen al congelarse difieren sóloen la línea de fusión en estos diagramas.

A continuación se expone una tabla con las temperaturas y presionesdel punto triple de distintas sustancias:

PUNTO TRIPLESUSTANCIA TTP (K) PTP (KPa)Acetileno 192.4 120Amoniaco 195.4 6.076Argón 83.81 68.9Carbón (grafito) 3900 10.100Dióxido de carbono 216.55 517Monóxido de carbono 68.10 15.37Deuterio 18.63 17.1Etano 89.89 8x10-4

Etileno 104.0 0.12Helio 4 (punto ) 2.19 5.1Hidrógeno 13.84 7.04Cloruro de hidrógeno 158.96 13.9Mercurio 234.2 16.5x10-7

Metano 90.68 11.7Neón 24.57 43.2Óxido nítrico 109.5 21.92Nitrógeno 63.18 12.6Oxido nitroso 182.34 87.85Oxígeno 54.36 0.152Paladio 1825 3.5x10-3

Platino 2045 2.0x10-4

Dióxido de sulfuro 197.69 1.67Titáneo 1941 5.3x10-3

Hexafloruro de uranio 337.17 151.7Agua 273.16 0.61Xenón 161.3 81.5Zinc 692.65 0.065

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Los tres diagramas expuestos en los apartados anteriores proceden dela proyección de una superficie cuyos ejes de coordenadas son la presión,el volumen y la temperatura:

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7. COMPORTAMIENTO DE LOS GASES

7.1. Introducción

En este apartado veremos características, leyes, y conceptos que nos sirvanpara tener un conocimiento básico acerca de los gases.

Como ya se ha estudiado, en la naturaleza existe 3 estados fundamentalesde la materia: sólido, líquido y gaseoso. Algunas de sus característicasprincipales las nombramos a continuación.

• A diferencia de los sólidos, los líquidos y gases se caracterizan por notener una forma definida y adoptar la del recipiente que los contiene.

• Un gas está constituido por partículas que se mueven rápida yaleatoriamente ya que las distancias entre éstas es mucho mayor queel espacio que ocupan.

• A cambios de temperatura y presión el efecto que se obtiene en losgases es mucho mayor si los comparamos con los que sufren lassustancias en estado líquido y sólido.

Es decir, mientras que la temperatura es el factor de mayor importanciaen los cuerpos sólidos y líquidos, relativo a los cambios de volumen, enlos gases, que es nuestro objeto de estudio, tendremos en cuenta ademásde la temperatura, la presión ya que ambos factores influyenconsiderablemente en su volumen.

7.2. Características de los gases

Como hemos visto, para una determinada masa en estado gaseoso lastres magnitudes temperatura, presión y volumen están estrechamenteligadas definiendo así el estado de dicha sustancia. Nosotros con tal deobtener el valor de una de estas variables sobre otra necesitaremos quela tercera quede constante, por lo que el estudio de las propiedades delos gases lo separaremos en tres partes:

• Ley de Mariotte:

A temperatura constante: relación entre presión y volumen.

• Ley de Gay-Lussac:

A presión constante: relación entre volumen y temperatura y lallamaremos.

• Ley de Charles:

A volumen constante: relación entre presión y temperatura.

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Si bien es cierto que las leyes de Mariotte, Gay-Lussac y Charles nosresultan atractivas por su sencillez, tendremos que tener en cuenta, noobstante, que se trata de leyes aproximadas.

Ley de Mariotte

Como hemos visto, si mantenemos constante la temperatura de una masagaseosa el producto de los valores de la presión y el volumen que ocupaes una constante.

Si , siendo la temperatura:

Si mantuviéramos la temperatura constante tras haber ejercido unapresión, el volumen variaría de tal manera que el producto entre ambospermanecería constante y viceversa.

Veamos ahora una consecuencia aplicada a la variación de la masavolumétrica.

Si llamamos m a la masa de cierto gas cuya temperatura se mantieneconstante, con una presión P1 y volumen v1, definiremos la masavolumétrica del gas como:

(1)

Si aplicamos una presión P2, el volumen tomará el valor V2 y por tantola masa volumétrica será:

(2)

Dividiendo (1) y (2) miembro a miembro tendremos:

Por lo que:

Concluyendo, pues, que a temperatura constante la masa volumétricade un gas es proporcional a su presión.

Ley de Gay-Lussac

Bajo presión constante el aumento de volumen es proporcional a laelevación de su temperatura. Vamos a definir el coeficiente medio dedilatación para los gases bajo presión constante siendo V0 el volumen

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ocupado por la masa m de gas a 0ºC, la variación de volumen tendrá porvalor absoluto:

El coeficiente medio de dilatación de un gas a presión constante entrelas temperaturas 0 y ºC lo expresaremos como:

Además podremos averiguar el valor del volumen ocupado por esta masagaseosa a ºC con la relación:

(3)

Se concluye con que el coeficiente medio de dilatación de un gas apresión constante es:

Independiente de la naturaleza del gas.

Independiente de su temperatura.

Independiente de su presión.

Su valor para todos los gases será:

Sustituyendo este valor en (3) obtendríamos:

Siendo T=273+

T0=273

Dicha fórmula se escribe normalmente:

Lo que nos permite afirmar que el volumen ocupado por una masa degas invariable es proporcional a su temperatura absoluta.

Ley de Charles

A volumen constante el aumento de presión del aire es proporcional ala elevación de la temperatura.

Por analogía con la dilatación de los gases a presión constante, definimos

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el coeficiente medio del aumento de la presión de los gases a volumenconstante:

Siendo p0 la presión de la masa del gas a 0ºC; p su presión a ºC y p -p0 el valor absoluto del aumento de presión.

La presión de esta masa a ºC va unido al valor de la presión inicial porla siguiente relación:

El coeficiente medio de aumento de presión a volumen constante es:

• Independiente de la naturaleza del gas.

• Independiente de su temperatura.

• Independiente de su presión inicial.

El valor para todos los gases es de:

(1)

El aumento de presión de los gases a volumen constante se describe:

(2)

Sustituyendo (1) en (2), obtendremos:

Donde T=273+ ;

T0=273

Dicha fórmula se escribe normalmente:

7.3. Definición de gas ideal

Gas ideal, o perfecto, es el que sigue rigurosamente las leyes de Mariotte,Gay-Lussac y Charles.

Pero como hemos dicho anteriormente estas leyes sólo se aproximan a

64



la realidad ya que ningún gas es perfecto; sin embargo los gases encondiciones de presión reducida y temperatura alejada de su punto delicuefacción (o condensación si se prefiere), se acercan a su estadoperfecto.

En condiciones normales gases como el oxígeno, hidrógeno, nitrógeno,aire, etc., se encuentran muy cerca del estado perfecto, por el contrariolos gases fácilmente condensables se alejan de dicho estado: amoniaco,gas carbónico, etc.

Aunque no vamos a demostrarlo, por no ser objeto de este curso, síveremos una de las consecuencias de los gases en su estado ideal:

• Igualdad entre los coeficientes y

Todo gas ideal enfriado a -273.15ºC y volumen constante tendrá unapresión nula. A esta temperatura, como vimos, se le conoce con el nombrede cero absoluto y es la temperatura más baja que se puede obtener.

7.4 Ecuación de estado de un gas ideal

Si a una masa invariable de gas ideal con unas condiciones iniciales p1,v1, T1 tal que:

Le sometemos a un estado p2,v2, T2, entonces obtenemos que:

Como esta expresión se puede aplicar a todo par de valores de presióny temperatura, se generaliza de la siguiente forma:

(1)

Según postula Avogadro, volúmenes iguales de distintos gases, a la mismapresión y temperatura contienen el mismo número de moléculas y deduceque en un mol de cualquier sustancia existe el mismo número demoléculas que calcula en 6´023x1023, es decir, un mol es la cantidad demateria que contiene 6,02 x 1023 entes elementales (átomos, moléculas,iones, partículas subatómicas, etc). Por eso cuando se utiliza el términomol, debe dejar en claro si es: 1 mol de átomos, 1 mol de moléculas, 1mol de iones, etc.

Este número se conoce como número de Avogadro NA ó n= 6´023x1023

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y para un gas se suele formular diciendo que los volúmenes ocupadospor un mol de cualquier gas a igual presión y temperatura son iguales,por lo que el resultado de la expresión 1 puede expresarse en funcióndel número de moles de la sustancia, puesto que el volumen esproporcional a este número:

(2)

Donde n=m/M (m= masa del gas y M= masa molecular del gas).

Finalmente la expresión queda:

Que es la expresión conocida de la ecuación de estado de los gases idealeso perfectos.

7.5. Constante de gas universal

Siguiendo todo lo explicado en el apartado anterior y de acuerdo conla hipótesis de Avogadro, como para cualquier sustancia, a 0ºC detemperatura y una atmósfera de presión, un mol ocupa el volumen de22´4136 litros, sustituyendo este valor en la ecuación 2 se obtiene el valorde la constante:

Esta constante es independiente de la naturaleza del gas, siendo la mismapara todos los gases, y se conoce como constante de los gases o constantede gas universal.

7.6. Masa molar

La unidad SI para cantidad de materia es el mol, que se define como "lacantidad de materia de un sistema que contiene la misma cantidad deunidades elementales contenidas en 0,012 Kg de Carbón-12". Según estadefinición, cualquier cantidad de materia que contenga 6,023x1023

entidades, es un mol.

Así, podemos tener 1 mol de átomos, de moléculas, de iones, de protones,de electrones, etc., siendo necesario por lo tanto, dejar claro de qué setrata.

La expresión correcta para referirse a la masa de una porción de sustancia,cuya cantidad de materia es un mol es la masa molar (M). La masa molarpuede referirse a moléculas, átomos, iones, electrones, etc., como ya se

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ha explicado, y se obtiene dividiendo la masa de la sustancia por elnúmero total de moles:

Por ejemplo: M(KCl) = 74,56 g/mol; M(Cu) = 63,54 g/mol; M(H) =1,0074 g/mol; M(Cl2) = 70,916 g/mol.

7.7. Compresión de un gas ideal

Como ya se ha comentado antes la ecuación de gas ideal es muy simplepero todos los gases se desvían del comportamiento de gas ideal enestados próximos al punto crítico o a la región de saturación.

Esta desviación a una temperatura y presión dadas puede corregirse conun factor de corrección denominado factor de compresibilidad Z.

Factor de compresibilidad Z

El factor de compresibilidad Z se define como:

o también:

donde:

p es la presión del gas

v es volumen del gas

R es la constante de gas universal

T es la temperatura del gas

Para gases ideales Z=1 y para gases reales puede ser mayor o menor quela unidad, teniendo en cuenta que cuanto más se aleje de la unidad elvalor de Z, mayor es la desviación del gas con respecto al comportamientode gas ideal.

No se puede generalizar para definir un valor de presión baja o unatemperatura alta concreta, dado que dependiendo del gas que se estéestudiando, se puede tratar de un punto crítico o de otro muy alejado,es decir, la presión o temperatura de una sustancia es alta o baja conrelación a su presión crítica o temperatura crítica.

Una forma de solucionar esta diferencia consiste en recurrir a presionesy temperaturas normalizadas respecto de sus temperaturas y presionescríticas como sigue:

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y

Donde PR y TR se denominan presión reducida y temperatura reducida.

El factor Z es aproximadamente el mismo para todos los gases a la mismapresión y temperatura reducidas, lo cual recibe el nombre de principiode estados correspondientes.

Los valores de Z obtenidos mediante experimentos, se grafían contra PR

y TR para varios gases y al ajustar los datos obtenidos se la carta decompresibilidad generalizada, que puede utilizarse para todos los gases.Hay que tener en cuenta que la utilización de estas cartas implica elconocimiento de los datos del punto crítico.

Si se observa esta carta se puede ver que:

• A presiones muy bajas (PR <<<1) los gases se comportan como un gasideal con independencia de la temperatura.

• A elevadas temperaturas (TR>2) el comportamiento de gas ideal seasume con gran precisión con independencia de la presión (exceptocuando PR >>>1).

• La desviación de un gas del comportamiento de gas ideal es mayorcerca del punto crítico.

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8. CALOR Y TRABAJO

Si en los primeros capítulos se estudió el concepto de calor como laenergía que se transfiere entre dos sistemas (o de un sistema y susalrededores), este tema tendrá en cuenta también el concepto de trabajoy se estudiará cómo ambos son formas de energía en tránsito de unoscuerpos o sistemas a otros, estando relacionadas entre sí.

8.1. Clasificación, formas y tipos de energía

La materia se transforma por efecto de la energía.

Ejemplo: Un ejemplo claro visto en otros apartados, es la acción calóricade los rayos del sol sobre el agua de los mares, provocando la evaporación.

El descubrimiento del fuego proporcionó al hombre la posibilidad decocinar sus alimentos y fabricar diferentes utensilios. Al encender el gasde la cocina, por ejemplo, se produce el calor necesario para hervir elagua de la cafetera.

Cuando ingerimos alimentos obtenemos energía que empleamos enactividades como hablar, caminar, etc., es decir, en realizar trabajo.

También aprovechó la fuerza muscular de los animales, aprendió a utilizarel movimiento como forma de energía. Después, usó la energía del viento,la de las aguas de los ríos y la de las corrientes marinas.

Con esas energías el hombre descubrió que podía poner en movimientolos motores, energías temporales. Este problema lo solucionó con lautilización del vapor, y consiguió que los motores funcionaran de formapermanente.

La corriente eléctrica, cuando pasa por un circuito, pone enfuncionamiento el televisor.

A continuación se presenta una clasificación de distintos tipos de energía:

• Energía estática: es todo tipo de energía que se encuentra almacenadaen un sistema y además es propiedad del cuerpo o sistema dondereside:

- Energía cinética.

- Energía potencial.

- Energía interna.

- Energía química.

- Energía nuclear.

- Energía electromagnética.

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• Energía dinámica: no es propiedad del sistema y se conoce másgeneralmente como trabajo.

• Calor: Se transforma o se pone de manifiesto mientras tiene lugarun proceso, consiste en flujo de energía.

Ejemplos: A continuación se enumeran una serie de ejemplos de distintasenergías existentes en la naturaleza:

• Energía solar: es la que se genera por las radiaciones solares, que setransforman en calor al entrar en contacto con los cuerpos. El hombreha ideado diferentes formas para utilizar la energía solar. Algunas deellas son los colectores solares y espejos curvos especiales, que seutilizan en calefacción y para generar energía eléctrica. La energíasolar tiene la ventaja de no contaminar.

• Energía mecánica: es aquella que el hombre utilizó, en un comienzo,como producto de su propio esfuerzo corporal. Luego utilizó la fuerzaanimal, para lo que domesticó animales como bueyes, caballos yburros.

• Energía eléctrica: es la que se produce por el movimiento de electronesa través de un conductor.

• Energía nuclear: es la que se produce cuando se rompe el núcleo delátomo, debido a la liberación de la fuerza que mantiene unidas laspartículas del núcleo atómico. El átomo se compone de núcleo ycorteza. Éstos se unen para formar las moléculas. Cuando lo que serompe es el núcleo del átomo, como en el caso del Uranio, se liberamucha energía, llamada energía nuclear. La bomba atómica es laliberación incontrolada de esta energía.

• Energía eólica: es la que se origina por la fuerza del viento. Tienemuchas ventajas, porque no provoca contaminación y es inagotable.Puede generar energía eléctrica por medio de molinos de viento.

• Energía hidráulica: es la que se origina por la caída del agua y seutiliza para generar energía mecánica y energía eléctrica.

• Energía química: es producto de una combustión en la cual se combinael oxígeno del aire con la materia del cuerpo que arde. Durante lacombustión se producen luz y calor. Cuando las moléculas se rompense libera energía química.

8.2. Definición de trabajo

“La energía es la capacidad de efectuar trabajo". Esta sencilla definición noes muy precisa ni correcta para todos los tipos de energía, como porejemplo aquella asociada al calor, pero sí es correcta para la energía de

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tipo mecánico, que a continuación describiremos y que servirá paraentender la estrecha relación entre trabajo y energía.

En el lenguaje cotidiano el trabajo tiene diversos significados, por ejemplo,en física y termodinámica se utiliza para describir lo que se obtienemediante la acción de una fuerza que se desplaza cierta distancia.

El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud comoen dirección, se define como el producto de la magnitud deldesplazamiento por la componente de la fuerza paralela al desplazamiento:

donde:

W es el trabajo obtenido.

F es la componente de la fuerza paralela al desplazamiento neto.

d es la cantidad de desplazamiento que se produce.

Esta imagen ilustra este concepto:

En forma más general se escribe:

donde:

F es la magnitud de la fuerza constante.

d el desplazamiento del objeto.

el ángulo entre las direcciones de la fuerza y del desplazamientoneto.

Por definición, el trabajo realizado sobre el sistema es positivo, y el trabajorealizado por el sistema es negativo.

El calor y la energía mecánica o trabajo son dos valores de la mismanaturaleza, que se pueden transformar entre sí.

Ejemplo: Si disponemos de una fuente de calor y la aplicamos a unaturbina de vapor, un motor diesel, etc., se está realizando unatransformación de calor en trabajo mecánico, en lo que llamamos motorestérmicos.

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8.3. Tipos de transformaciones del trabajo

Generalmente, en el estudio de los ciclos termodinámicos otransformaciones del trabajo se supone que el sistema es un fluidoperfecto, que funciona en una máquina igualmente perfecta; es decir,suponiendo que el ciclo está constituido por una serie de transformacionestermodinámicas ideales, como las adiabáticas (sin flujo de calor hacia odesde el sistema), isotérmicas (a temperatura constante)o politrópicas(donde todos los valores de las magnitudes características varíanconjuntamente).

Un ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámicode obtención de trabajo, aportando trabajo externo al ciclo para conseguirque la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la máscaliente, al revés de como tendería a suceder naturalmente.

Esta disposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y enrefrigeración.

8.3.1. Isotérmicas

Las transformaciones isotérmicas son aquellas en las que la temperaturadel sistema permanece constante.

En el diagrama de Clapeyron o diagrama P-v, obtenemos unarepresentación del trabajo como el área encerrada por la curva, tal ycomo se muestra en la imagen.

En esta transformación no hay variación de la energía interna; ademásse cumplen siguiendo la Ley de Mariotte, así pues:

8.3.2. Adiabáticas

En termodinámica se denomina proceso adiabático a aquel en el cualel sistema no intercambia calor con su entorno. El extremo opuesto a

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un proceso isotérmico, en el que tiene lugar la máxima transferencia decalor, causando que la temperatura permanezca constante.

Ejemplo: El término adiabático hace referencia a elementos que impidenla transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproximabastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabáticade llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si nohubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesosde humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto queno hay transferencia de calor, a pesar de que se consiga variar latemperatura del aire y su humedad relativa.

El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmenteocurren debido al cambio en la presión de un gas (cuando un gas secomprime obtenemos calor y cuando se expande obtenemos frío). Estopuede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.

La ecuación matemática que describe un proceso adiabático en un gases la siguiente:

donde:

P es la presión del gas.

V su volumen.

es la relación de los calores específicos de un gas:

Cp calor especifico a presión constante.

Cv calor especifico a volumen constante.

En el caso de transformaciones adiabáticas reversibles no puede aplicarsela ley de Poisson:

Los valores de varían entre los valores de =1.4 correspondiente a losgases ideales y =1.075 para los fluidos frigorígenos.

8.3.3. Politrópicas

Dentro de los distintos tipos de evoluciones que existen están lasevoluciones politrópicas que describen fenómenos reales, y que significa,literalmente, "muchas formas".

Nos centraremos en las compresiones politrópicas, que son las queencontraremos en la práctica de las máquinas frigoríficas.

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En la imagen quedan representadas las curvas relativas a las compresionesisotérmica y adiabática de una masa de gas M entre dos presiones.

El triangulo curvilíneo queda representado por los puntos M1 M2 M3.

En la práctica, el punto M” se acercará a M2 cuando el compresor estébien enfriado.

Las compresiones politrópicas se caracterizan por la ecuación generalsiguiente:

es decir:

Esta ecuación es similar a la ecuación de la ley de Poisson en la que Kse denomina coeficiente de compresión politrópica.

El valor de K será más bajo cuanto más elevado sea la evacuación decalor.

8.4. Potencia

En la mayoría de los procesos de intercambio energético o realizaciónde trabajo, un factor importante es el tiempo empleado en el proceso.

Si nos fijamos en aquellos aparatos que, como una nevera, un secador,una bombilla..., consumen energía y la transforman para enfriar, calentaro iluminar, la magnitud física que relaciona la energía consumida o eltrabajo realizado en una unidad de tiempo se llama potencia.

Para que una máquina lleve a cabo un trabajo necesita un periodo detiempo, por lo tanto si deseamos comparar dos máquinas es indispensablemedir el trabajo que cada una de ellas es capaz de realizar en el mismoperiodo de tiempo. Como podemos ver, se trata de una magnitudimportante.

La potencia de una máquina cuantifica el trabajo constante realizado

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por dicha máquina durante un segundo cuando trabaja a régimenconstante, es decir:

donde:

P es la potencia.

W el trabajo realizado.

t el tiempo empleado en realizar el trabajo.

8.5. Unidades de medida

La unidad de trabajo es el Julio (J) que se define como el trabajoproducido por una fuerza de un Newton cuyo punto de aplicación sedesplaza un metro en la dirección de la fuerza ejercida.

Por definición el trabajo realizado sobre un sistema es positivo, y eltrabajo realizado por un sistema es negativo.

Otras unidades utilizadas para medir el trabajo son las que se presentanen la tabla siguiente:

Como ya se estudió en apartados anteriores el julio es también unaunidad de medida de la energía.

En cuanto a la potencia, su unidad en el sistema internacional es el vatioque mide la potencia de un julio por segundo:

Otras unidades son:

UNIDADES DE TRABAJOUNIDAD EXPRESIÓN EQUIVALENCIA

Caloría cal 1 kJ=4´186 kcalBritish termal units Btu 1 kJ=1.0549 Btu

UNIDADES DE TRABAJOSISTEMA CONVENCIONAL SISTEMA METRICO (S.I.) SISTEMA YARDA LIBRAKilocalorías por segundo Kilowatios Caballo de fuerza British termal units por segundo

kcal/s kW HP Btu/s1 4´186 5´611 3´968

0´2389 1 1´340 0´91800´1782 0´746 1 0´70720´2520 1´055 1´414 1

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8.6. Estudio de los ciclos termodinámicos

Si partimos de la base de que todas las transformaciones experimentadaspor una sustancia son reversibles, resulta útil tratar los procesostermodinámicos basándose en ciclos.

Convencionalmente, el término ciclo hace referencia a aquellos procesosque devuelven un sistema a su estado original después de una serie defases, de manera que todas las variables relevantes del sistema vuelvena tomar sus valores iniciales.

Se denomina ciclo termodinámico al proceso que tiene lugar endispositivos destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentesde calor a distinta temperatura o, de manera inversa, a producir el pasode calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayortemperatura mediante la realización de trabajo.

La obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distintatemperatura se emplea para producir movimiento, por ejemplo en losmotores o en los alternadores empleados en la generación de energíaeléctrica.

En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar,ya que el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajototal neto realizado por el sistema.

El rendimiento es el principal parámetro que caracteriza a un ciclotermodinámico, y se define como el trabajo obtenido, dividido por elcalor gastado en el proceso, en un mismo tiempo de ciclo completo siel proceso es continuo. Este parámetro es diferente según los múltiplestipos de ciclos termodinámicos que existen, pero está limitado por elfactor o rendimiento del ciclo de Carnot que se tratará en apartadossiguientes.

El estudio de los ciclos termodinámicos es útil para la compresión de losprocesos llevados a cabo por máquinas y equipos frigoríficos, puesto queun ciclo termodinámico inverso busca lo contrario al ciclo termodinámicode obtención de trabajo.

En los ciclos inversos se aporta trabajo externo al ciclo para conseguirque la transferencia de calor se produzca de la fuente más fría a la máscaliente, al revés de como tendería a suceder de forma natural. Estadisposición se emplea en las máquinas de aire acondicionado y enrefrigeración.

8.6.1. Ciclo de Carnot

En 1824 el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la eficiencia de lasdiferentes máquinas térmicas que trabajan transfiriendo calor de una

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fuente de calor a otra para concluir con que las más eficientes son lasque funcionan de manera reversible. Para ello diseñó una máquinatérmica totalmente reversible que funciona entre dos fuentes de calorde temperaturas fijas. Esta máquina se conoce como la máquina deCarnot y su funcionamiento se llama el ciclo de Carnot.

Así pues, Carnot buscó el ciclo que debía implementar el vapor paraobtener el máximo de energía mecánica para un consumo dado deenergía calorífica en la fuente de calor, con lo que obtuvo un rendimiento:

Para conseguir su objetivo hizo que el fluido del motor describiese unciclo en el cual experimentase cuatro transformaciones termodinámicas,alternadas dos a dos como sigue:

1. Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupael volumen mínimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y lapresión es alta. Entonces se acerca la fuente de calor de temperaturaT2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella mientras el gas seva expandiendo a consecuencia de su elevada presión. El gas, alexpandirse, tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y así mantienesu temperatura constante durante esta primera parte de la expansión.El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistónque se transfiere al movimiento circular. La temperatura del gaspermanece constante durante esta parte del ciclo, por tanto no cambiasu energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte entrabajo.

2. Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un puntopreciso tal que el resto de la expansión, que se realiza adiabáticamente(es decir sin intercambio de calor, el sistema se mantiene totalmenteaislado de cualquier fuente de calor), permite que el gas se enfríehasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento enque el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas alcanzasu volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizadopor el gas proviene de su energía interna.

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3. Compresión isotérmica. Se pone la fuente de calor de temperaturaT1 en contacto con el cilindro y el gas comienza a comprimirse perono aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fríaT2. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas, perocomo la temperatura permanece constante, la energía interna delgas no cambia y por tanto ese trabajo es absorbido en forma de calorpor la fuente T1.

4. Compresión adiabática. La fuente T1 se retira en el momento adecuadopara que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperaturahasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que elvolumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapano hay intercambio de calor, por eso se llama compresión adiabática,y se realiza un trabajo sobre el gas, todo el cual se convierte en energíainterna del gas.

La superficie interna del diagrama del ciclo representa el trabajo mecánicoaportado por la máquina.

Este ciclo presenta una difícil realización en la práctica; es consideradocomo el ciclo de referencia para la transformación máxima del flujo decalor en trabajo, determinando el límite máximo de rendimiento quese puede alcanzar mediante un ciclo termodinámico.

Así pues, las máquinas frigoríficas son máquinas térmicas invertidas, esdecir, describen un ciclo de Carnot inverso. Si en un ciclo de Carnot elpunto figurativo del estado del fluido se desplaza en el sentido de laagujas del reloj, en un ciclo frigorífico se moverá en sentido contrario.

8.6.2. Ciclo de Rankine

El ciclo de Carnot es teórico, porque resulta casi imposible llevarlo acabo, como se ha comentado, ya que para obtener un coeficiente derendimiento frigorífico óptimo en el caso de máquinas frigoríficas, seríanecesario valorar el fluido frigorífico bajo dos adiabáticas y dos isotermas,lo que supondría realizar las transformaciones adiabáticas a una velocidadextremadamente grande y las transformaciones isotérmicas a una velocidadextremadamente lenta.

Desde el punto de vista práctico hay que buscar un ciclo que se aproximetodo lo posible al ciclo ideal de Carnot, para conseguir un buenrendimiento en relación al máximo que nos ofrece dicho ciclo.

Así pues, el ciclo de Carnot nos servirá de ciclo comparativo para valorary calcular el rendimiento de una máquina frigorífica en relación a dichociclo ideal.

El ciclo de Rankine comprende cuatro transformaciones termodinámicasalternadas dos a dos, como el ciclo de Carnot, pero a diferencia de éste,

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se trata de dos transformaciones adiabáticas y dos transformacionesisóbaras (a presión constante).

Tendremos de esta forma que el fluido estará en el estado 1 a la aspiracióndel compresor:

1º) Transformación adiabática: compresión que comienza en el punto1 de máximo volumen y presión mínima para acabar en el punto 2.

2º) Transformación isóbara: se trata de una condensación a presiónconstante hasta el punto 3 donde termina alcanzando el volumenmínimo del ciclo.

3º) Transformación adiabática: expansión del fluido hasta el punto 4 demínima presión.

4º) Transformación isóbara: evaporación a presión constante que finalizaen el punto 1, donde se vuelve al estado de menor presión y máximovolumen del fluido.

En el caso de fluidos licuables, si en la aspiración del compresor sedispone de una mezcla liquido-vapor, de manera que al final de lacompresión tengamos vapor saturado (vapor seco), los ciclos de Carnoty Rankine se superponen.

En el caso contrario, cuando aspiramos vapores saturados secos, lasuperficie interior del diagrama es superior en el diagrama de Rankine,ya que cuando se alcanza la temperatura máxima en el curso de lacompresión, ésta se convertirá entonces en isotérmica.

Pese a estas consideraciones, en la práctica nos encontraremos con quetendremos que realizar modificaciones en este ciclo, ya que, el ciclo realde una máquina no es exactamente el ciclo de Rankine. Para que estosucediese, las transformaciones 1 y 3 tendrían que ser verdaderamenteadiabáticas reversibles.

Para salvar estos puntos se efectúa una expansión del fluido a través deun orificio de pequeño diámetro, de forma que se consigue que la

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expansión sea isoentálpica (a entalpía constante), como en el diagramasiguiente, donde los puntos 2´ y 4´ representan el estado del fluidodespués de la compresión y de la expansión adiabática respectivamente.

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9. ESTUDIO TERMODINÁMICO DE LOS CICLOSDE REFRIGERACIÓN

9.1. Introducción

Las instalaciones frigoríficas tienen por fin mantener la temperatura deun local o recinto a una temperatura inferior a la temperatura ambiente.Ello se puede realizar a través de varios métodos. El más ampliamenteutilizado, y en el que se centra el desarrollo del presente curso, es elbasado en la compresión mecánica de un vapor, entendiendo por vaportodo gas capaz de condensarse a las presiones y temperaturas a las quese le somete en la instalación.

9.2. El Ciclo de Refrigeración

El ciclo de refrigeración es el proceso al que se somete el fluido frigoríficopara conseguir el enfriamiento de un recinto. Se compone de las siguientesetapas:

• Evaporación.

• Compresión.

• Condensación.

• Expansión.

El ciclo inicia con el fluido en forma de líquido a baja presión. En esascondiciones, el líquido se evapora de modo espontáneo en el interiordel evaporador, absorbiendo del local a refrigerar el calor necesario pararealizar dicha transformación (calor latente de vaporización).

En modo de vapor, el fluido accede al compresor donde es elevado aaltas presiones mediante la compresión que le provoca el elementomecánico. La compresión también causa un aumento de la temperaturaen el gas y en esas nuevas condiciones el gas condensa a líquido si esexpuesto a una temperatura inferior. Eso es lo que ocurre en el

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condensador, cediendo el calor absorbido en el evaporador al ambienteexterior (calor latente de condensación).

Tras el condensador se tiene líquido a elevada presión. Para volver alestado inicial sólo resta hacer descender la presión del líquido medianteel elemento de expansión (válvula o capilar), descendiendo también endicha expansión la temperatura del fluido.

9.3. Diagramas Termodinámicos

Con el fin de estudiar el ciclo frigorífico, analizar su evolución y modosde mejora, extraer las potencias y rendimientos frigoríficos que se estánobteniendo, y todo ello de un modo visual, se realizan los diagramastermodinámicos.

Un diagrama termodinámico es una representación de los diferentesestados a los que es sometido el fluido a lo largo del ciclo frigorífico enfunción de dos variables termodinámicas.

En la aplicación de los diagramas termodinámicos al estudio de los ciclosfrigoríficos presenta especial interés la representación en dicho diagramade las curvas que representan, concretamente para el fluido usado en lainstalación, el comienzo y el fin de las fases de evaporación y condensación.

A la línea que marca el comienzo de la evaporación o fin de lacondensación (según si el fluido está absorbiendo o cediendo calor,respectivamente) se le denomina línea de líquido ya que separa la zonadonde el fluido está presente como líquido únicamente de aquella zonaen la que coexisten líquido y gas.

De modo recíproco, a la línea que marca el fin de la evaporación o elcomienzo de la condensación (según si el fluido está absorbiendo ocediendo calor, respectivamente) se le denomina línea de vapor ya quesepara la zona donde el fluido está presente como vapor únicamente deaquella zona en la que coexisten líquido y gas.

Ambas líneas se unen en un punto denominado punto crítico. A la uniónde ambas líneas se le denomina curva de saturación: en su interiorcoexisten líquido y vapor y fuera de ella sólo puede existir una de lasfases.

El punto crítico viene marcado por la temperatura crítica del vapor. Porencima de dicha temperatura el fluido no se considera vapor sino gas (ovapor seco) ya que no es posible causar su condensación sea cual sea lapresión a la que se somete.

De la selección de las dos variables termodinámicas tomadas comoreferencia depende el tipo de diagrama que se obtiene y los resultadosque de él se pueden extraer de modo directo. Los diagramas usados en

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las instalaciones frigoríficas son los siguientes:

• Diagrama Presión-Volumen (diagrama P-V o diagrama de Andrews).

• Diagrama Temperatura-Entropía (diagrama T-S o diagrama entrópico).

• Diagrama Presión-Entalpía (diagrama P-H, diagrama entálpico o deMollier).

• Diagrama Entalpía-Entropía (diagrama H-S).

Seguidamente se presentan los conceptos de Entropía y Entalpía paraentender mejor el significado de las respresentaciones termodinámicas.

• Entropía:

- De modo introductorio y en instalaciones frigoríficas la entropía(S) debe entenderse como una medida de la energía en formade calor (Q) que posee un cuerpo a una temperatura dada (T):

En el sistema internacional de unidades, se mide en KJ/ºK(kilojulios por grado kelvin) y en KJ/ºK Kg cuando se trata deentropía específica.

• Entalpía:

- De igual modo, la entalpía (H) se define como la suma de laenergía interna (U) de un cuerpo o sustancia y el producto dela presión (P) al que está sometido por el volumen en el que estáconfinado (V):

La energía interna es la suma de la energía en forma de calor yen forma de trabajo que, de modo potencial, puede transmitir ydesarrollar un cuerpo o sustancia. En el sistema internacional deunidades la entalpía se mide en KJ (kilojulios) y en KJ/Kg cuandose trata de entalpía específica.

Al fluido que se le somete a un ciclo frigorífico se le fuerza a realizar unaserie de procesos termodinámicos con el fin de obtener el enfriamientodeseado. Estos procesos se llevan a cabo manteniendo constante algunapropiedad física y/o termodinámica: presión, temperatura, entalpía oentropía. Así:

• La evaporación y la condensación suceden a temperatura y presiónconstantes.

• La compresión sucede de modo adiabático (sin intercambio de calorcon el exterior), lo que conlleva que la entropía se puede considerarconstante.

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• La expansión sucede de modo isoentálpico y/o isoentrópico.

Con el objetivo de estudiar los ciclos frigoríficos, sobre los diagramastermodinámicos se representan líneas que muestran la evolución de lasvariables que determinan el diagrama, según se somete al fluido a unproceso en el que otra variable se mantiene constante.

Por ejemplo, en un diagrama P-V, una línea isoterma representa cómodebe ser una variación en las condiciones de presión y volumen de unfluido, de modo que no varíe su temperatura.

De un diagrama interesan las siguientes líneas:

• Isotermas (temperatura constante).

• Isobaras (presión constante).

• Isoentálpicas (entalpía constante).

• Isoentrópicas (entropía constante).

• Isócoras (volumen específico constante).

A continuación se presentan los diagramas citados en párrafos anterioresy se describen los usos que se les otorga.

9.4. Diagrama P-V o diagrama de Andrews

En el eje horizontal se representan volúmenes específicos y en el ejevertical presiones. Las líneas isobaras son líneas horizontales y las isócoras,verticales. El resto de líneas puede verse en el diagrama inferior.

Durante el ciclo frigorífico, el volumen específico del fluido varíaconstantemente y la representación del ciclo sobre el diagrama es unafigura muy irregular en la que el cálculo de áreas se hace de un modoaproximado. Los resultados de dichas mediciones resultan en unidadesmecánicas no termodinámicas.

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Por todas estas razones el diagrama de Andrews no se utiliza para elestudio termodinámico del ciclo de refrigeración. Resulta de especialinterés, sin embargo, en el estudio del ciclo de compresión y de todoslos fenómenos que ocurren durante la compresión del gas.

9.5. Diagrama T-S o diagrama entrópico

En el eje vertical se representan temperaturas y en el eje horizontalentropías. Las líneas horizontales son isotermas y las verticalesisoentrópicas. Como el ciclo frigorífico está formado por dos isotermas(evaporación y condensación) y dos isoentrópicas (compresión yexpansión), la representación del ciclo frigorífico resulta ser un rectángulo.

El área englobada por la figura del ciclo frigorífico representa la cantidadde calor que se obtiene del ciclo. En efecto, el área en el diagrama secalculará como una diferencia de entropías por una diferencia detemperaturas y, recordando la definición de entropía, se deduce laafirmación anterior.

La representación de las líneas y del ciclo frigorífico puede verse en lafigura siguiente:

9.6. Diagrama P-H o diagrama entálpico

En el eje horizontal se grafían entalpías y en el vertical presiones. Laslíneas horizontales son isobaras y las verticales isoentálpicas. La compresióny la evaporación son isobaras y la expansión es isoentálpica. De ese modo,el ciclo frigorífico se representa por un rectángulo con uno de sus ladoscurvos, el correspondiente a la compresión, que es adiabática y en eldiagrama aparece como un arco de hipérbola.

Como en el eje horizontal aparecen entalpías, las distancias horizontales

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representan directamente energía térmica que se intercambia entrefluido y entorno.

La representación de las líneas y del ciclo frigorífico puede verse en lafigura siguiente:

9.7. Diagrama H-S

En el eje vertical aparece la entalpía y en el eje horizontal la entropía.Las isoentrópicas y las isoentálpicas se representan, respectivamente, porlíneas horizontales y verticales.

En este caso son las distancias verticales las que representan la energíatérmica obtenida o cedida por el sistema durante los procesos quecomponen el ciclo.

De todos los diagramas vistos, el más ampliamente usado en el estudiode los ciclos frigoríficos es el de Mollier y será estudiado con más detalleen el tema correspondiente a sistemas frigoríficos.

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10. HIGROMETRIA

10.1. Introducción

La ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air ConditioningEngineers) define el acondicionamiento del aire como: "El proceso detratar el aire, de tal manera, que se controle simultáneamente sutemperatura, humedad, limpieza y distribución, para que cumpla conlos requisitos del espacio acondicionado". Como se indica en la definición,las acciones importantes involucradas en la operación de un sistema deaire acondicionado son:

• Control de la temperatura.

• Control de la humedad.

• Filtración, limpieza y purificación del aire.

• Circulación y movimiento del aire.

El acondicionamiento completo de aire, proporciona el control automáticode estas condiciones, tanto para el verano como para el invierno. Elcontrol de temperatura en verano se logra mediante un sistema derefrigeración, y en invierno, mediante una fuente de calor. El control dehumedad en verano requiere de deshumidificadores, lo que se hacenormalmente al pasar el aire sobre la superficie fría del evaporador. Enel invierno, se requiere de humidificadores, para agregarle humedad alaire en el sistema de calentamiento. La filtración del aire, en general, esla misma en verano que en invierno. El acondicionamiento de aire encasas, edificios o en industrias, se hace por dos razones principales:proporcionar confort al humano, y para un control más completo delproceso de manufactura; el control de la temperatura y la humedadmejora la calidad del producto terminado. Para acondicionar aire en unespacio se requiere tener conocimientos básicos de las propiedades delaire y la humedad, del cálculo de cargas de calentamiento y deenfriamiento, manejo de las tablas o carta psicrométrica, y del cálculoy selección de equipo. También se requiere del conocimiento y manejode instrumentos, como termómetros de bulbo seco y de bulbo húmedo(psicrómetro), el higrómetro, tubo de pitot, registradores, manómetrosy barómetros, como veremos a continuación.

10.2. Definiciones

Psicrometría

Se define psicrometría como la ciencia que estudia las propiedadestermodinámicas del aire húmedo y el efecto de la humedad atmosférica

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sobre los materiales y el confort humano, así como los métodos paracontrolar las características térmicas del aire húmedo.

Aire seco; características

El aire es una mezcla de gases incolora, inodora e insípida que rodea ala tierra.

La densidad del aire (peso por metro cúbico) varía, siendo mayor a niveldel mar (donde es comprimido por todo el aire encima del mismo) queen la cima de una alta montaña. El aire, no es un vapor saturado queesté cercano a temperaturas donde pueda ser condensado. Es siempreuna mezcla de gases altamente sobrecalentados. Así, cuando calentamoso enfriamos aire seco, solamente estamos agregando o quitando calorsensible. Podemos enfriar o calentar el aire, limpiarlo y moverlo, peroesto no cambia significativamente sus propiedades, ya que los relativamentepequeños cambios de temperatura que le hagamos, sólo causanpequeñísimos cambios en el volumen y la densidad.

Si el aire seco se calienta, se expande; y su densidad disminuye cuandola presión permanece constante. Inversamente, si se enfría el aire seco,aumenta su densidad. Aún más, las temperaturas, densidades, volúmenesy presiones, todas varían proporcionalmente.

La composición del aire seco (sin vapor de agua) es la indicada en latabla siguiente:

En áreas congestionadas o industriales, también puede contener azufre,carbono, plomo y ciertos ácidos, derivados de la contaminación.

Cada uno de los gases que componen el aire, se comporta de acuerdocon la ley de Dalton.

Brevemente, esta ley nos dice que una mezcla de dos o más gases puedeocupar el mismo espacio al mismo tiempo, y que cada uno actúaindependientemente de los otros. Cada uno tiene su propia densidad,su propia presión (presión parcial), y cada uno responde a los cambios

Símbolo químico % en peso % en volumen

Nitrógeno N2 75,47 78,03

Oxígeno O2 232,19 20,99

Dióxido de carbono CO2 0,04 0,03

Hidrógeno H2 0,00 0,01

Otros gases (argón, neón, ozono…..) --- 1,30 0,94

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de volumen y temperatura según sus características. Como ya hemosvisto, el aire seco no es un gas puro, ya que es una mezcla, y por lo tanto,no se conforma exactamente según las leyes de los gases, no obstante enla práctica se considera a esta mezcla de gases (aire seco sin vapor deagua) como un solo compuesto, que se rige por la ley de los gases.

A continuación se reflejan las características del aire seco a distintastemperaturas:

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Temperatura Volumen Densidad Entalpía Temperatura Volumen Densidad Entalpía

ºC Específico ºC Específico

m3/kg Kg/m3 Kcal/kg m3/kg Kg/m3 Kcal/kg

-15 0,7304 1,3691 0,6722 18 0,8244 1,2130 8,6372

-14 0,7332 1,3638 0,9123 19 0,8274 1,2086 8,8772

-13 0,7363 1,3581 1,1523 20 0,8302 1,2044 9,1228

-12 0,7391 1,3530 1,3923 21 0,8329 1,2006 9,3628

-11 0,7422 1,3473 1,6323 22 0,8360 1,1961 9,6028

-10 0,7453 1,3416 1,8779 23 0,8389 1,1920 9,8484

-9 0,7480 1,3369 2,1179 24 0,8418 1,1880 10,0706

-8 0,7511 1,3313 2,3579 25 0,8446 1,1839 10,3284

-7 0,7538 1,3266 2,5980 26 0,8474 1,1800 10,5740

-6 0,7563 1,3222 2,8390 27 0,8501 1,1763 10,7640

-5 0,7591 1,3173 3,0835 28 0,8529 1,1725 10,5740

-4 0,7619 1,3125 3,3235 29 0,8556 1,1687 10,7640

-3 0,7650 1,3072 3,5636 30 0,8583 1,1650 11,0540

-2 0,7678 1,3024 3,8036 31 0,8612 1,1611 11,2996

-1 0,7706 1,2977 4,0447 32 0,8645 1,1567 11,5396

0 0,7734 1,2928 4,2892 33 0,8672 1,1531 11,7796

1 0,7756 1,2893 4,5292 34 0,8700 1,1494 12,0252

2 0,7790 1,2837 4,7692 35 0,8727 1,1458 12,2652

3 0,7822 1,2784 5,0148 36 0,8756 1,1420 12,7564

4 0,7850 1,2739 5,2547 37 0,8786 1,1382 12,9908

5 0,7878 1,2693 5,4948 38 0,8816 1,1343 13,2308

6 0,7908 1,2645 5,7404 39 0,8843 1,1308 13,4764

7 0,7933 1,2605 5,9803 40 0,8871 1,1273 13,7164

8 0,7961 1,2562 6,2204 41 0,8900 1,1236 13,9620

9 0,7988 1,2518 6,4615 42 0,8932 1,1196 14,4420

10 0,8015 1,2476 6,7060 43 0,8957 1,1164 14,6820

11 0,8044 1,2431 6,9460 44 0,8987 1,1127 14,9276

12 0,8076 1,2381 7,1860 45 0,9014 1,1093 15,1676

13 0,8104 1,2339 7,3983 46 0,9042 1,1059 15,4132

14 0,8131 1,2297 7,6716 47 0,9073 1,1021 15,6532

15 0,8159 1,2256 7,9116 48 0,9100 1,0988 15,8955

16 0,8188 1,2213 8,1183 49 0,9129 1,0954 16,1400

17 0,8217 1,2168 8,3972 50 0,9158 1,0919 16,3900

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Humedad atmosférica

Como ya sabemos, dos terceras partes de la superficie de la tierra estáncubiertas por agua: océanos, lagos y ríos, de los cuales se desprende elvapor de agua. Las nubes, también producto de esta evaporación,contribuyen a la humedad del ambiente al condensarse y precipitarseen forma de lluvia o nieve.

Por costumbre común, decimos que el aire contiene humedad, y esconveniente hacerlo así, en el entendido de que siempre recordemosque es meramente una manera de hablar, y que en realidad, los dos sonindependientes uno del otro, y que no responden de la misma maneraa los cambios de condiciones, especialmente a los cambios de temperatura.Todo lo anterior es lo que sucede a la intemperie. Dentro de una casa,edificio o fábrica, el vapor de agua puede provenir de la cocina, baño,máquinas, personas, etc. Así pues, la cantidad de humedad en el aire enun lugar y tiempo determinados, puede variar considerablemente. Elvapor de agua es producido por el agua, a cualquier temperatura (aúnpor el hielo).

Vapor de agua, características

La humedad es un término utilizado para describir la presencia de vaporde agua en el aire, ya sea a la intemperie, o dentro de un espacio, airey vapor de agua, existen juntos en un espacio dado al mismo tiempo.Independientes uno del otro, y que no responden de la misma maneraa los cambios de condiciones, especialmente a los cambios de temperatura.Las palabras "vapor" y "gas", comúnmente las empleamos para referirnosa lo mismo; pero en realidad, un gas es un vapor altamente sobrecalentado,muy lejos de su temperatura de saturación, como el aire. Un vapor estáen sus condiciones de saturación o no muy lejos de ellas, como el vaporde agua. Así pues, el vapor de agua o "humedad" en un espacio, puedeestar en una condición de saturación o ligeramente arriba de ella. Si loenfriamos unos cuantos grados, hacemos que se condense, y si le aplicamoscalor, lo sobrecalentamos.

El agua no tiene que estar en ebullición, aunque si lo está, el vapor deagua es producido con mayor rapidez. El vapor ejerce una presióndefinida encima del agua, la cual es determinada solamente por latemperatura del agua misma, independientemente de si el agua está ono en ebullición o de si el espacio por encima del agua contiene aire.Tampoco la presión del aire ejerce efecto alguno sobre la presión delvapor. Si el agua está a una temperatura de 4ºC, la presión del vapor deagua sobre la misma es de 0.81 kPa, la cual es una presión menor quela atmosférica (vacío). Si la temperatura del agua aumenta a 15ºC, lapresión del vapor de agua sobre la misma, aumenta más del doble, esdecir, a 1.70 kPa .

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En la tabla siguiente, se muestran las propiedades del vapor de aguasaturado. Los valores de la primera columna son las temperaturas engrados centígrados. Los valores de la segunda y tercera columna, son laspresiones del vapor sobre el agua, correspondientes a las temperaturasde la primera columna; este vapor se conoce como "saturado", porquees todo el vapor de agua que puede contener ese espacio a esa temperatura.Hay que tener en cuenta que no hay diferencia si hay o no aire en eseespacio; la presión del vapor de agua será la misma, ya que ésta dependetotalmente de la temperatura del agua. Cuando comúnmente nosreferimos a la presión atmosférica o barométrica, estamos incluyendo lapresión del aire y la presión del vapor de agua que éste contiene. Lapresión atmosférica "normal" a nivel del mar, es de 101.325 kPa o de 760mm. de mercurio. Si la presión del vapor de agua en el aire a 15 o C es1.70 kPa, entonces, la presión del aire seco sería 99.625 kPa (101.325 -1.70); ya que, de acuerdo a la ley de Dalton, la presión total es la sumade las presiones parciales de los componentes: la del aire seco y la delvapor de agua. En la cuarta columna de la tabla, tenemos los valores devolumen específico. Estos nos indican el volumen en m3 que ocupa unkilogramo de agua en forma de vapor saturado (tabla en pag. siguiente)

Aire saturado

El término de aire saturado se emplea para indicar que el vapor de aguaestá saturado en la mezcla de aire seco y vapor de agua. Por tanto lapresión parcial en la mezcla es igual a la presión de saturacióncorrespondiente a la que se encuentra la mezcla; en este casodispondremos de aire seco mezclado con vapor de agua saturado.

A una temperatura determinada, si el aire está saturado y se aumenta laproporción de vapor se llegará a la condensación o formación de niebla.Si el vapor presente en el aire está sobrecalentado, se le podrá añadirmás vapor hasta que se llegue a la saturación.

Humedad absoluta

El término "humedad absoluta" (ha), se refiere al peso del vapor de aguapor unidad de volumen, generalmente un metro cúbico. En este espacio,normalmente hay aire también, aunque no necesariamente.

La humedad relativa está basada en la humedad absoluta, bajo lascondiciones establecidas; es decir, la humedad relativa es una comparacióncon la humedad absoluta a la misma temperatura, si el vapor de aguaestá saturado. Tanto la humedad absoluta como la relativa, están basadasen el peso del vapor de agua en un volumen dado.

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Tabla propiedades de mezclas de aire seco y vapor saturado a la presión atmosférica

Humedad relativa

La humedad relativa (hr) es un término utilizado para expresar lacantidad de humedad en una muestra dada de aire, en comparación conla cantidad de humedad que el aire tendría, estando totalmente saturadoy a la misma temperatura de la muestra.

La humedad relativa se expresa en porcentajes, tal como 50%, 75%,30%, etc. De acuerdo con la ASHRAE, una definición más técnica de lahr, sería la relación de la fracción mol del vapor de agua presente en elaire, con la fracción mol del vapor de agua presente en el aire saturado,a la misma temperatura y presión.

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Humedad específica

La humedad específica se refiere a la cantidad de humedad en peso quese requiere para saturar un kilogramo de aire seco, a una temperaturade saturación (punto de rocío) determinada.

La humedad específica es muy similar a la humedad absoluta, exceptoque esta última está basada en gramos por metro cúbico, y la humedadespecífica, está basada en gramos de humedad por kilogramo de aireseco.

Punto de rocío

El punto de rocío se define como: la temperatura debajo de la cual elvapor de agua en el aire comienza a condensarse. También es el puntode 100% de humedad.

La humedad relativa de una muestra de aire puede determinarse por supunto de rocío. Existen varios métodos para determinar la temperaturadel punto de rocío. Un método para determinar el punto de rocío conbastante precisión es colocar un fluido volátil en un recipiente de metalbrillante; después, se agita el fluido con un aspirador de aire. Untermómetro colocado dentro del fluido indicará la temperatura del fluidoy del recipiente. Mientras se está agitando, debe observarse cuidadosamentela temperatura a la cual aparece una niebla por fuera del recipiente demetal. Esto indica la temperatura del punto de rocío. La niebla por fueradel recipiente no es otra cosa que la humedad en el aire, que comienzaa condensarse sobre el mismo. No deben emplearse fluidos inflamableso explosivos para esta prueba. Otro medio para determinar el punto derocío indirectamente es con un instrumento llamado Psicrómetro, elcual se describirá más adelante. Este método se basa en las temperaturasde "bulbo húmedo" y la de "bulbo seco", las cuales también se definiránmás adelante. Durante la temporada de invierno, una ventana ofrece unbuen ejemplo del punto de rocío. En la tabla siguiente, se muestran lastemperaturas de superficie, las cuales causarán condensación (punto derocío) para varias condiciones de humedad. Las temperaturas interioresutilizadas son 21ºC y 27 ºC.

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Temperatura de rocío

Si una mezcla de aire y vapor se enfría a presión constante, la temperaturaa la que tendríamos vapor saturado se llama temperatura de rocío opunto de rocío.

Esta temperatura de rocío o de saturación es correspondiente a la presiónparcial del vapor de agua de la mezcla.

Es otra propiedad de aire incluida en una carta psicrométrica. Esta es latemperatura a la cual se condensará la humedad sobre una superficie.La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que laescala para las temperaturas de bulbo húmedo; es decir, es la mismaescala para ambas propiedades.

Bulbo seco

El confort humano y la salud, dependen grandemente de la temperaturadel aire. En el acondicionamiento de aire, la temperatura del aire indicadaes normalmente la temperatura de «bulbo seco» (bs), tomada con elelemento sensor del termómetro en una condición seca. Es la temperaturamedida por termómetros ordinarios en casa. Hasta este punto, todas lastemperaturas a que nos hemos referido han sido temperaturas de bulboseco, tal como se leen en un termómetro ordinario, excepto donde noshemos referido específicamente a la temperatura del punto de rocío.

21ºC 27ºC

100 21 27

90 19 25

80 18 23

70 15 20

60 13 18

50 10 15

40 7 12

30 3 8

20 -2 2

Humedad relativa delaire %

Temperatura de bulbo secode la superficie cuando seinicia la condensación.

Temperatura del aire delcuarto.

Temperaturas de superficies a las que habrá condensación

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Bulbo húmedo

Básicamente, un termómetro de bulbo húmedo no es diferente de untermómetro ordinario, excepto que tiene una pequeña mecha o pedazode tela alrededor del bulbo y esta mecha se humedece con agua limpia;la evaporación de este agua disminuirá la lectura (temperatura) deltermómetro. Esta temperatura se conoce como de «bulbo húmedo»(bh). Si el aire estuviese saturado con humedad (100% hr), la lecturade la temperatura en el termómetro de bulbo húmedo, sería la mismaque la del termómetro de bulbo seco. Sin embargo, la hr normalmentees menor de 100% y el aire está parcialmente seco, por lo que algo dela humedad de la mecha se evapora hacia el aire. Esta evaporación dela humedad de la mecha provoca que la mecha y el bulbo del termómetrose enfríen, provocando una temperatura más baja que la del bulbo seco.Mientras más seco esté el aire, más rápida será la evaporación de lahumedad de la mecha. Así que, la lectura de la temperatura del bulbohúmedo, varía de acuerdo con lo seco que esté el aire. La precisión dela lectura del bulbo húmedo, depende de lo rápido que pase el aire sobreel bulbo. Las velocidades hasta de 1,500 m/min (90 km/ hr), son mejorespero peligrosas, si el termómetro se mueve a esta velocidad. También,el bulbo húmedo deberá protegerse de superficies que irradien calor(sol, radiadores, calentadores eléctricos, calderas, etc.). Se pueden tenererrores hasta del 15% si el movimiento de aire es muy lento, o si haymucha radiación presente. Cuando la hr es de 100% (saturación), lastemperaturas de bulbo seco, bulbo húmedo y del punto de rocío sontodas la misma. Abajo de 100% de hr, la temperatura del bulbo húmedoes siempre algo menor que la del bulbo seco y mayor que el punto derocío. En la figura, se ilustran los termómetros de bulbo seco y bulbohúmedo. "A" representa la temperatura de bulbo seco, "B" la temperaturade bulbo húmedo y "C" la mecha que envuelve al bulbo húmedo. Nóteseque la temperatura mostrada en el termómetro de bulbo húmedo esconsiderablemente menor que la del termómetro de bulbo seco.

También, la temperatura de bulbo húmedo varía de acuerdo con latemperatura del cuarto; así que es afectada tanto por el calor sensibledel aire en el cuarto, como por el calor latente de la humedad del aire.Por lo tanto, la temperatura de bulbo húmedo es una indicación delcalor total en el aire y la humedad.

Imagen termómetros de bulbo seco y bulbo húmedo

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Factor de calor sensible

Relación de calor sensible con respecto al calor total, siendo este últimola suma del calor sensible y el calor latente.

Calor latente

Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar un cambio deestado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia, sin cambioen la temperatura o presión.

Porcentaje de saturación

El porcentaje de saturación (o porcentaje de humedad) es un términoque algunas veces se confunde con la humedad relativa. El porcentajede saturación es 100 veces la relación del peso de vapor de agua con elpeso del vapor de agua necesario para saturar un kilogramo de aire secoa la temperatura del bulbo seco. Esto se puede expresar en una ecuación:

donde:

% saturación=

w1= Humedad específica en el punto de rocío de la mezcla de aireseco y vapor de agua.

ws= Humedad específica en el punto de saturación.

La humedad relativa está basada en las presiones, las cuales son afectadaspor la temperatura y el volumen. El porcentaje de saturación está basadoen el peso, el cual no es afectado por los cambios de temperatura, y éstees el más preciso de los dos.

10.3. Métodos y aparatos de medida

Las mediciones absolutas de la humedad del aire atmosférico apenas seutilizan, puesto que requieren procedimientos muy laboriosos para serfiables. De los dos métodos citados a continuación, el primero se haráa título documental y el segundo como método práctico. Al final delapartado se describirán dos aparatos de medida de humedad relativa delaire.

Método gavimétrico de absorción

Un volumen de aire a una temperatura determinada pasa por unos tubosllenos de productos absorbentes que retienen el vapor de agua atmosférico.El aumento de masa será la cantidad de vapor de agua absorbida.

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mv= m1 – m

Siendo:

• mv, masa de vapor de agua contenida en los tubos absorbentes y portanto contenida en la masa de aire.

• m, masa de los tubos absorbentes antes de hacer pasar el aire porellos.

• m1, masa de los tubos después de haber hecho pasar el aire.

Para determinar la cantidad de vapor de agua contenida por metrocúbico de mezcla a la temperatura dada como:

vapor de agua kg en 1 m3 de mezcla=

Para poder asegurar que todo el vapor de agua ha sido absorbido porlos tubos es necesario disponer de un gran número de éstos y hacer pasarel aire a velocidades suficientemente bajas para que el material absorbentepueda captar todo el vapor presente en la mezcla, lo cual se traduce enprocesos muy largos de medición.

Método del punto de rocío

El método del punto de rocío consiste en enfriar una superficie metálicahasta que aparezcan condensaciones sobre ella.

La superficie metálica, cuya temperatura podemos determinar en todomomento a través de un termómetro, se enfría mediante un líquido opor evaporación de fluidos frigorígenos, mientras el aire se proyectasobre la superficie metálica pulida como un espejo. La temperatura derocío se obtiene con precisión cuando desaparece la proyección luminosadel espejo sobre la pantalla.

Higrómetros

E1 más simple de todos es el higrómetro de cabello, con sus variantes abase de una cinta higroscópica o de un haz de hilos de algodón. Elhigrómetro de cabello estaba basado en la cualidad que tiene el cabellode alargarse en presencia de la humedad; este tipo de higrómetros no

Procedimiento del punto de rocío

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resulta preciso y se ha evolucionado hacia higrómetros basados en:

• La velocidad de difusión del vapor de agua a través de una paredligeramente porosa (la velocidad de difusión aumenta con la sequedaddel aire).

• La variación de la resistencia de juego de electrodos de plata recubiertosde sal metálica higroscópica; la variación de intensidad que resultade la variación de la resistencia se amplifica, por ejemplo, a través derelés transistorizados.

Actualmente, para mediciones precisas, se emplea el higrómetroelectrónico, que permite tomar mediciones al instante, y precisas, delpunto de rocío, humedad relativa, temperatura o presión.

Psicrómetros

El psicrómetro está formado por un conjunto de dos termómetros,termómetro seco y un termómetro húmedo. Los dos termómetros,colocados uno al lado del otro en la misma corriente de aire.

Debido a la evaporación de agua, el termómetro de bulbo húmedoindicará una temperatura inferior a la del termómetro de bulbo seco;la diferencia de temperaturas se llama depresión de bulbo húmedo.

Las demás propiedades del aire podrán determinarse entrando con lastemperaturas seca y húmeda en un diagrama pscicrométrico (comoveremos en el apartado 1.10.5. ‘’Composición diagrama psicrométrico’’)o bien por vía analítica.

El psicrómetro se usa principalmente para medir las condiciones del airede un ambiente interior o exterior.

A fin de obtener resultados correctos en la utilización de estos aparatoses necesario respetar las siguientes condiciones:

• Emplear agua destilada para humidificar el bulbo del termómetrohúmedo

• Emplear agua destilada a temperatura muy próxima a la de la atmósferacontrolada

• Asegurar una ventilación constante del bulbo húmedo.

Psicrómetro

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10.4. Carta psicrométrica

Una carta psicrométrica es una gráfica de las propiedades del aire, talescomo temperatura, hr, volumen, presión, etc. Las cartas psicrométricasse utilizan para determinar cómo varían estas propiedades al cambiar lahumedad en el aire.

Las propiedades psicrométricas del aire que se describen en lasilustraciones de las tablas han sido recopiladas a través de incontablesexperimentos de laboratorio y de cálculos matemáticos, y son la basepara lo que conocemos como la Carta Psicrométrica. Aunque las tablaspsicrométricas son más precisas, el uso de la carta psicrométrica puedeahorrarnos mucho tiempo y cálculos, en la mayoría de los casos dondeno se requiere una extremada precisión. Como se mencionó al inicio deeste párrafo, la carta psicrométrica es una gráfica que es trazada con losvalores de las tablas psicrométricas; por lo tanto, la carta psicrométricapuede basarse en datos obtenidos a la presión atmosférica normal alnivel del mar, o puede estar basada en presiones menores que laatmosférica, o sea, para sitios a mayores alturas sobre el nivel del mar.Existen muchos tipos de cartas psicrométricas, cada una con sus propiasventajas. Algunas se hacen para el rango de bajas temperaturas, algunaspara el rango de media temperatura y otras para el rango de altatemperatura. A algunas de las cartas psicrométricas se les amplía sulongitud y se recorta su altura; mientras que otras son más altas queanchas y otras tienen forma de triángulo. Todas tienen básicamente lamisma función; y la carta a usar deberá seleccionarse para el rango detemperaturas y el tipo de aplicación. En este texto, utilizaremos una cartapsicrométrica basada en la presión atmosférica normal, también llamadapresión barométrica, de 101.3 kPa ó 760 mmHg. Esta carta cubre unrango de temperaturas de bulbo seco (bs) de -10 o C hasta 55ºC, y unrango de temperaturas de bulbo húmedo (bh) desde -10ºC hasta 35ºC.A continuación se muestra una carta psicrométrica básica. Está hechacon datos basados a la presión atmosférica normal de 101.325 kPa, y lasunidades son las del Sistema Internacional. Las temperaturas están engrados centígrados; el volumen en m3/kg; la humedad relativa enporcentajes; el contenido de humedad en g/kg aire seco; la entalpía yla entropía están en kilo Joules (kJ) por kg de aire seco. Un kJ/kg = 0.239kcal/ kg.

En una carta psicrométrica se encuentran todas las propiedades del aire,de las cuales las de mayor importancia son las siguientes:

• Temperatura de bulbo seco (bs).

• Temperatura de bulbo húmedo (bh).

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• Temperatura de punto de rocío (pr)

• Humedad relativa (hr).

• Humedad absoluta (ha).

• Entalpía (h).

• Volumen específico.

Conociendo dos de cualquiera de estas propiedades del aire, las otraspueden determinarse a partir de la carta.

10.5. Composición diagrama psicrométrico

Líneas de humedad total o específica

La humedad absoluta, es el peso real de vapor de agua en el aire. Tambiénse le conoce como humedad específica. La escala de la humedad absolutaes la escala vertical (ordenada) que se encuentra al lado derecho de lacarta psicrométrica, como se indica en la figura. Los valores de estapropiedad se expresan, como ya sabemos, en gramos de humedad porkilogramo de aire seco (g/kg), en el sistema internacional. Las líneas dehumedad absoluta corren horizontalmente de derecha a izquierda, y sonparalelas a las líneas de punto de rocío y coinciden con éstas. Así pues,podemos ver que la cantidad de humedad en el aire depende del puntode rocío del aire. A continuación, veremos algunos ejemplos sencillosdel uso de la carta psicrométrica, con las cinco propiedades físicas descritas

Carta psicrométrica.

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hasta este punto. Luego, veremos las demás propiedades que faltan porestudiar. Como se ha dicho, conociendo dos de estas propiedades delaire, se pueden determinar las demás con el uso de la carta psicrométrica.

Líneas de humedad relativa constante

En una carta psicrométrica completa, las líneas de humedad relativaconstante, son las líneas curvas que se extienden hacia arriba y hacia laderecha. Se expresan siempre en tantos por ciento, y este valor se indicasobre cada línea. Como ya hicimos notar previamente, la temperaturade bulbo húmedo y la temperatura de punto de rocío comparten lamisma escala en la línea curva a la izquierda de la carta. Puesto que laúnica condición donde la temperatura de bulbo húmedo y el punto derocío son la misma, es en condiciones de saturación; esta línea curvaexterior representa una condición de saturación o del 100% de humedadrelativa. Por lo tanto, la línea de 100% de hr es la misma que la escalade temperaturas de bulbo húmedo y de punto de rocío. Las líneas de hrconstante disminuyen en valor al alejarse de la línea de saturación haciaabajo y hacia la derecha, como se ilustra en la figura siguiente.

Líneas de temperatura del bulbo seco

En primer término, tenemos la temperatura de bulbo seco. Como yasabemos, es la temperatura medida con un termómetro ordinario. Estaescala es la horizontal (abscisa), en la parte baja de la carta, según semuestra en la figura. Las líneas que se extienden verticalmente, desde

Líneas de humedad absoluta en gramos/ kg

Líneas de humedad relativa en %

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la parte baja hasta la parte alta de la carta, se llaman líneas de temperaturade bulbo seco constantes, o simplemente «líneas de bulbo seco». Sonconstantes porque cualquier punto a lo largo de una de estas líneascorresponde a la misma temperatura de bulbo seco indicada en la escalade la parte baja. Por ejemplo, en la línea de 40º C, cualquier punto a lolargo de la misma, corresponde a la temperatura de bulbo seco de 40ºC de la carta psicrométrica, como se muestra en la figura. Las líneas detemperatura de bulbo húmedo constantes o líneas de bulbo húmedo,corren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo,en un ángulo de aproximadamente 30ª de la horizontal. También se lesdice constantes, porque todos los puntos a lo largo de una de estas líneas,están a la misma temperatura de bulbo húmedo.

Líneas de temperatura del bulbo húmedo constante

Es la segunda propiedad del aire de nuestra carta psicrométrica.Corresponde a la temperatura medida con un termómetro de bulbohúmedo. Como ya se explicó en la sección anterior, es la temperaturaque resulta cuando se evapora el agua de la mecha, que cubre el bulbode un termómetro ordinario. La escala de temperaturas de bulbo húmedoes la que se encuentra del lado superior izquierdo, en la parte curva dela cara psicrométrica, como se muestra en la figura. Las líneas detemperatura de bulbo húmedo constante o líneas de bulbo húmedocorren diagonalmente de izquierda a derecha y de arriba abajo, en unángulo de aproximadamente 30º de la horizontal. También se les llamaconstantes porque todos los puntos a lo largo de una de estas líneas estána la misma temperatura de bulbo húmedo.

Líneas de temperatura de bulbo seco

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Líneas de volumen específico constante

En la figura, se muestran las líneas del volumen específico constante enuna carta psicrométrica. Estas líneas están en un ángulo aproximado de60º con la horizontal, y van aumentando de valor de izquierda a derecha.Por lo general, el espacio entre cada línea, representa un cambio devolumen específico de 0.05 m3/kg. Cualquier punto que caiga entre dosde estas líneas, naturalmente debe ser un valor estimado. Si se deseasaber la densidad del aire a cualquier condición, como ya sabemos, sedebe dividir uno entre el volumen específico, puesto que la densidad esla inversa del volumen específico y viceversa. Debido a que la mayoríade los cálculos en trabajos de aire acondicionado se basan en el peso delaire en lugar del volumen de aire, se recomienda el uso del volumenespecífico (m3/kg de aire) ven vez de la densidad (kg/m3 de aire).

Líneas de entalpía

Las líneas de entalpía constantes en una carta psicrométrica, son las quese muestran en la figura. Debe notarse que estas líneas, son meramenteextensiones de las líneas de bulbo húmedo; puesto que el calor total delaire depende de la temperatura de bulbo húmedo. La escala del ladoizquierdo lejana a la línea curva da el calor total del aire en kJ/kg deaire seco, en el sistema internacional. Esta escala aumenta de -6 kJ/kga la temperatura de -10ºC de bulbo húmedo, hasta aproximadamente115 kJ/kg a 33ºC de bulbo húmedo.

Líneas de temperatura de bulbo húmedo

Líneas de volumen específico en m3/kg de aire seco

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Líneas de temperatura punto de rocío

Es otra propiedad de aire incluida en una carta psicrométrica. Esta es latemperatura a la cual se condensará la humedad sobre una superficie.La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica que laescala para las temperaturas de bulbo húmedo; es decir, es la mismaescala para ambas propiedades. Sin embargo, las líneas de la temperaturade punto de rocío corren horizontalmente de izquierda a derecha, comose ilustra en la figura, no en forma diagonal como las de bulbo húmedo.Cualquier punto sobre una línea de punto de rocío constante, correspondea la temperatura de punto de rocío sobre la escala, en la línea curva dela carta.

Curvas de saturación

La constitución del diagrama o carta pscicrometrica consiste de lasobreimposición de las siete propiedades descritas, ocupando la mismaposición relativa sobre la carta. En la descripción de cada una de las sietepropiedades se definió la línea constante como una línea que puedecontener un número infinito de puntos, cada uno a la misma condición;esto es, si fuésemos a trazar una sola condición del aire, tal como latemperatura del bulbo seco sobre la carta psicrométrica, ésta podría caeren cualquier punto sobre la línea constante, correspondiente a esatemperatura de bulbo seco. Pero ahora, en la carta psicrométricacompuesta, tenemos un número de líneas que se cruzan una con otra;así que, si trazamos un punto sobre una línea de bulbo seco constante,

Líneas de entalpía en kJ/kg de aire seco

Líneas de temperatura de punto rocío

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este punto también corresponderá a diferentes valores sobre las líneasconstantes para la temperatura de bulbo húmedo, punto de rocío,humedad relativa, volumen específico, humedad específica y entalpía.Suponiendo que dos de cualquiera de estas líneas constantes se cruzaranen un punto común sobre la carta, podremos trazar ese puntoexactamente, si conocemos dos de cualquiera de esas propiedades delaire. A partir de este punto, podemos entonces movernos a lo largo delas respectivas líneas constantes para las otras propiedades del aire, ypodemos leer el valor en sus escalas respectivas, sin tener que recurriral problema de calcularlos, como vimos en la sección de las tablaspsicrométricas. Aunque este método no es tan preciso como el métodode las tablas, es mucho más rápido, y el grado de precisión essuficientemente cercano para fines prácticos.

Si a una muestra de aire se le toman las temperaturas de bulbo seco(35ºC) y bulbo húmedo (22ºC), ¿cuáles serán las demás propiedades?Primero, trazamos un punto donde estas dos líneas se cruzan, como semuestra en la figura y lo marcamos como punto "A". Éste es el únicopunto en la carta donde existen estas dos condiciones (35ºC bs y 22ºCbh). Las demás condiciones pueden encontrarse fácilmente, simplementenos desplazamos a lo largo de la línea constante correspondiente, leyendoel valor en esa escala.

El orden no es importante, y puede comenzarse por cualquier propiedad.Comenzamos determinando la temperatura de punto de rocío; partimosdel punto "A", horizontalmente hacia la izquierda de la carta, y dondecruza la escala de temperatura de bulbo húmedo, esa es la temperaturade punto de rocío, ya que es la misma escala, puesto que en esa líneacurva el aire está en su condición de saturación. La temperatura de puntode rocío para este ejemplo es de 15.8ªC (punto "B"). El contenido dehumedad se determina sobre la escala del lado derecho de la carta; porlo que, partiendo del punto "A", nos desplazamos horizontalmente haciala derecha, y cruzamos la escala en aproximadamente 11,3 g/kg de aireseco (punto "C").

La humedad relativa se determina por la posición del punto "A", conrespecto a las líneas de humedad relativa de la carta. Examinando decerca este punto, vemos que está aproximadamente a una quinta partede la distancia entre las líneas de 30% y 40% de hr. Por lo que podemosestimar que la hr es de 32%.

La ubicación del punto "A", con respecto a las líneas constantes delvolumen específico, indica que cae aproximadamente a 4/5 partes dela distancia entre la línea de 0.85 y 0.90 m3/kg de aire seco, (4 ÷ 5 =0.80). Como hay una diferencia de 0.05 m3/kg entre una línea y otra,podemos estimar que el volumen específico es 0.85 + 0.80 veces 0.05, osea 0.89 m3/kg de aire seco, 0.85 + (0.80 x 0.05) = 0.89. La densidad seríalo inverso del volumen específico, o sea 1 ÷ 0.89 = 1.12 kg/m3.

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Extendiendo la línea constante de bulbo húmedo, de 22 o C directohacia arriba y a la izquierda, hasta cortar la escala de calor total o entalpía(punto "D"), podemos leer que la entalpía del aire es de 64.6 kJ/kg deaire seco. Para convertir kilojoules por kilogramo a kilocalorías porkilogramo, dividimos los kJ/kg entre 4.184(64.6 kJ/kg ÷ 4.184 = 15.44kcal/kg).

Mientras que los valores de las demás propiedades obtenidos en la cartapsicrométrica son muy parecidos a los calculados mediante el métodode las tablas psicrométricas, parecería que el valor de la entalpía esconsiderablemente menos preciso; pero, debe recordarse que en elproceso de acondicionamiento de aire, nos interesa el cambio de calor,en lugar del valor absoluto del calor total. La diferencia entre las tablasy la carta es consistente a través de todo el rango de temperaturas conlas cuales se va a trabajar; así que los cambios en los valores de entalpíaen la carta serán casi idénticos a los cambios en las tablas. Como se puedeobservar, es relativamente simple determinar las propiedades del aire enuna carta psicrométrica, conociendo dos (cualquiera) de ellas. Se requiereque a partir de un punto dado en la carta, las demás propiedades seobtengan siguiendo una serie de líneas, que pueden ser horizontales,verticales, diagonales o curvas. La precisión del resultado, dependegrandemente de la versión individual, la habilidad para trazar líneas yel método de interpolación. La interpolación significa obtenermatemáticamente los valores de los puntos que caen entre dos líneas; locual, en ocasiones, puede consumir una gran cantidad de tiempo yesfuerzo. Pero el uso de la carta no se limita solamente a determinar laspropiedades de una muestra de aire, también se pueden calcular lascargas térmicas al calentar o enfriar la muestra de aire, con o sinhumidificación o deshumidificación, cambios en el volumen, mezclas deaire, etc.

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10.6. Estudio de las operaciones de tratamiento de aire

Humidificación

La humidificación o humectación del aire es un proceso cuya finalidades incrementar el con-tenido de humedad absoluta de una masa de aire.El aire se humidifica normalmente por medio de pulverizadores quereducen el agua a finas gotitas, a fin de ofrecer una mayor superficie alflujo de aire que se debe humidificar.

Pulverizar el agua es desmenuzarla en pequeñas partículas, tambiénllamadas aerosoles. Éstas, luego, se esparcen en el aire que van ahumidificar y se evaporan. La energía necesaria para la evaporación delos aerosoles proviene del aire ambiente, lo cual produce un enfriamientodenominado enfriamiento adiabático

Todos los sistemas de humidificación adiabática están basados en unode los dos principios: atomización o pulverización; en ambos casos, laenergía requerida para pulverizar el agua es tomada del aire que sepretende humidificar. El calor total contenido en el aire disminuye, igualque en los procesos donde tiene lugar un enfriamiento adiabático.

A continuación puede comprobarse en el diagrama psicrométrico elproceso de humidificación, al no producirse adición de calor, el procesoque se sigue en el diagrama psicrométrico es una línea de entalpíaconstante.

Diagrama psicrométrica humidificación

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Los humectadores producen agua pulverizada (aerosoles), estas gotaspueden estar contaminadas por la legionella. La legionelosis se transmitepor vía aérea; es necesario inhalar el germen que el aire transporta dentrode muy pequeñas gotas de agua. Todas aquellas instalaciones en las quehay emisión de aerosoles, tales como torres de refrigeración, instalacionesde agua caliente sanitaria, humectadores, fuentes... deben ser tratadascon el fin de no propagar la bacteria.

Humidificación por vapor de agua

Cuando se calienta el aire húmedo, la humedad relativa disminuye. Paracompensar, se añade vapor de agua en el aire. Al añadir agua, la relaciónde humedad aumenta; este fenómeno se conoce por humidificación.

Debido a que el calor necesario para la vaporización del agua se obtienedel propio humidificador, el aire aumenta su contenido en agua sinvariación de su temperatura; el proceso que se sigue en el diagramapsicrométrico es una línea de temperatura constante llamada isoterma.

Calentamiento sensible

Cuando el aire se calienta con una batería, su humedad específica novaría. Al calentar aire helado se requiere solo un cambio en el calorsensible del aire y no afecta a la humedad de éste.

Enfriamiento sensible

El término cambio de calor sensible se refiere a un cambio en calor queprovocará un cambio en la temperatura del aire. Con frecuencia, al



Los humectadoresproducen aguapulverizada (aerosoles),estas gotas puedenestar contaminadas porla legionella. Lalegionelosis setransmite por vía aérea;es necesario inhalar elgermen que el airetransporta dentro demuy pequeñas gotas deagua. Todas aquellasinstalaciones en las quehay emisión deaerosoles, tales comotorres de refrigeración,instalaciones de aguacaliente sanitaria,humectadores,fuentes... deben sertratadas con el fin deno propagar la bacteria.

Diagrama psicrométrica por vapor de agua

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enfriar el aire seco y caliente se requerirá tan sólo un cambio en el calorsensible del aire. Puesto que un cambio en el calor sensible del aire noafectará la cantidad de humedad de éste; dicho cambio puede grafiarseen la carta psicrométrica, paralelo a las líneas constantes de punto derocío. Esto significa que el punto de rocío del aire no cambiará mientrassea solamente calor sensible el que se agrega o se quita. Por otra parte,el peso total del aire en kg permanece constante, pero su volumen(m3/kg) sí cambia, puesto que el aire se contrae al ser enfriado.

Veamos el enfriamiento sensible de aire en el diagrama psicrométrico.Si originalmente está a 43ºC de bs, y 21ºCde bh, y se quiere enfriarlo a17 ºC de bs y 12ºC de bh. Comparando las propiedades de la condicióninicial (1), con las de la condición final (2), podemos ver que hemosaumentado la hr del aire de aproximadamente 13%, a aproximadamente56%, como se muestra en la figura siguiente, aunque no se ha cambiadoel contenido de humedad del aire. Esto es porque al enfriar el aire se lereduce su capacidad de retención de humedad en saturación, yconsecuentemente, se aumenta la relación de humedad en el aire, conla máxima que podría retener a esa temperatura de bs. Esta línea deenfriamiento sensible (1-2), es casi paralela a las líneas constantes decontenido de humedad, que son las mismas de la temperatura de puntode rocío; por lo que estos dos valores son constantes y no cambian duranteel enfriamiento sensible. En este ejemplo, el contenido de humedad esde aproximadamente 6.4 g/kg de aire seco, y la temperatura de puntode rocío es de 8.2 ºC.

También podemos ver que al enfriar el aire, se ha disminuido su volumenespecífico de aproximadamente 0.905 m3/kg, que tenía en el punto 1,a aproximadamente 0.835 m3/kg en el punto 2. Consecuentemente, aldisminuir su volumen específico, aumenta su densidad. Como es lógico,el aire con un cierto contenido de humedad, mientras más frío está esmás denso. Al grafiar el cambio de entalpía para este efecto de enfriamientosensible, se puede ver que en la condición 1, contenía 61 kJ/kg (14.58kcal/kg), mientras que en la condición 2 contiene 34.2 kJ/kg (8.17kcal/kg). Si restamos la entalpía 2 de la entalpía 1, llegamos a un cambiototal de entalpía de 6.41 kcal/kg. Por lo tanto, por cada kilogramo deaire que se enfríe de la condición inicial a la final, se deben quitar 6.41kcal/kg. Este cambio de calor sensible se muestra en la figura como hs.



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Mezcla de dos cantidades de aire húmedo

En el acondicionamiento de aire, con mucha frecuencia se requieremezclar aire a diferentes temperaturas de bh y de bs, para lograr unadeterminada condición final de aire. La mayoría de las aplicaciones deaire acondicionado comercial requieren de un cierto volumen de aireexterior que sea introducido al espacio ocupado. En la tabla siguientese indican los caudales mínimos de aire exterior en l/s por unidadexigidos por la norma UNE 100-011-91. Puesto que la introducción del100% de aire exterior no es práctica, desde el punto de vista de costooperacional, se debe mezclar el aire exterior requerido, con un porcentajede aire de retorno, antes de calentarlo o enfriarlo.



Diagrama psicrométrico ejemplo enfriamiento sensible

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Almacenes - 0,75 a 3 - -

Aparcamientos - 5 - -

Archivos - 0,25 - -

Aseos públicos - - - 25

Aseos individuales - - 15 -

Auditorios 8 - - -

Aulas 8 - - -

Autopista - 2,5 - -

Bares 12 12 - -

Cafeterías 15 15 - -

Canchas para el deporte - 2,5 - -

Comedores 10 6 - -

Cocinas 8 2 - -

Descanso (Salas de) 20 15 - -

Dormitorios colectivos 8 1,5 - -

Escenarios 8 6 - -

Espera y recepción (Salas) 8 4 - -

Estudios holográficos - 2,5 - -

Exposiciones (Salas de) 8 4 - -

Fiestas (Salas de) 15 15 - -

Fisioterapia (Salas de) 10 1,5 - -

Gimnasios 12 4 - -

Gradas de recintos deportivos 8 12 - -

Grandes almacenes 8 2 - -

Habitaciones de hotel - - 15 -

Habitaciones de hospital 15 - - -

Imprentas, reproducción y planos - 2,5 - -

Juegos (Salas de) 12 10 - -

Laboratorios 10 3 - -

Lavanderías industriales 15 5 - -

Vestíbulos 10 15 - -

Oficinas 10 1 - -

Paseos de centros comerciales - 1 - -

Tipo de local Por persona Por m2 Por local Otros

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Un método empleado para el acondicionamiento de mezclas de aire dedistintas condiciones de temperatura y humedad, es mezclar el aire deretorno y el aire exterior, antes de ser tratado tal y como se muestra enla figura, donde se distingue el conducto de aire de retorno, el conductode aporte de aire exterior, la sección de mezcla, la batería de frío (dondeel aire intercambia calor con el agua refrigerada) y la impulsión de aireal interior del local.

Si se mezclan 0.71 m3/min de aire exterior, a 35ºC de bs y 24 ºC de bh,con 2.12 m3/min de aire de retorno a 27ºC de bs y 19º C de bh, el flujototal del aire será de 2.83 m3/min. Esto dará una relación de mezcla de25% de aire exterior y 75% de aire recirculado (en base a volumen). Enuna carta psicrométrica trazamos las condiciones del aire exterior (punto



Pasillos - - - -

Piscinas - 2,5 - -

Quirófanos y anexos 15 3 - -

Reuniones (Salas de) 10 5 - -

Salas de curas 12 2 - -

Salas de recuperación 10 1,5 - -

Supermercados 8 1,5 - -

Talleres en general 30 3 - -

en centros docentes 10 3 - -

de reparación automática - 7,5 - -

Templos para culto 8 - - -

Tiendas en general 10 0,75 - -

de animales - 5 - -

especiales - 2 - -

UVI 10 1,5 - -

Vestuarios - 2,5 - 10

Tipo de local Por persona Por m2 Por local Otros

Aporte da aire exterior de dos cantidades de aire

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1), y las del aire recirculado o de retorno (punto 2), como se muestraen la figura.

Calculando los pesos de estas cantidades de aire tenemos que el peso delaire exterior se calcula con la densidad. Como ya sabemos, la densidades lo inverso el volumen específico, por lo que determinamos a partir ela carta psicrométrica, que el volumen específico del aire exterior, es deaproximadamente 0.893 m3/kg de aire. Este dato corresponde a lascondiciones del aire en el punto 1 de la figura.

El peso del aire exterior es:

1/ 0.893 x 0.71 = 0.795 kg/min.

El peso del aire recirculado se calcula procediendo de la misma maneray tenemos:

1/ 0.814 x 2.12 = 2.604 kg/min,

y el peso total del aire es:

0.795 + 2.604 = 3.399 kg/min.

Los porcentajes (ahora en peso) son 24.45% de aire exterior y 75.54%de aire de retorno. La diferencia en porcentajes es aproximadamentede 0.5%, lo que a una temperatura de -9ºC da un error de solamente0.04º C.

La línea recta que une los puntos 1 y 2, en la figura, representa el trayectode la temperatura de la mezcla de estas dos condiciones del aire, encualquier proporción. Los puntos extremos 1 y 2 representan el 100%de la mezcla a esas temperaturas; es decir, si la mezcla constituye 99%de aire a 35 ºC de bs y 24ºC de bh, el restante 1% sería aire a 27º C debs y 19ºC de bh, y este punto estaría muy cercano al punto 1. Si la mezclacontiene 50% de cada una de las dos condiciones, la condición de lamezcla resultante caerá sobre la línea, en un punto a la mitad de ladistancia entre 1 y 2.



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Calentamiento con deshumidificación

Es el calentamiento del aire y la eliminación de la humedad de éste. Elproceso de calentamiento con deshumidificación se caracteriza por unaumento de la entalpía y una disminución de la humedad relativa.

Enfriamiento con deshumidificación

Es la eliminación simultánea del calor y la humedad del aire. La cantidaddel vapor de agua, presente dentro de una zona ocupada, variarádependiendo del número de personas presentes y de su actividad, lacondición del aire exterior, la estructura del edificio y la cantidad deinfiltración.

Revisaremos la capacidad de un sistema de aire acondicionado, el cualha sido clasificado por el fabricante en 30,240 kcal/h. En nuestra pruebade capacidad, no usaremos las mismas condiciones de prueba que elfabricante, pero podemos aproximarnos, utilizando 100% de aire de



Diagrama psicrométrico mezcla de dos cantidades de aire húmedo

Calentamiento con deshumidificación y aporte da aire exterior

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retorno a la entrada del evaporador en un día caluroso de verano,ajustando la velocidad del ventilador para que dé una velocidad del airede aproximadamente 150 m/min, sobre la superficie del serpentín.

Mientras que este ejemplo se refiere específicamente al acondicionamientode aire de verano, las condiciones de humedad controlada se aplicanigualmente al almacenamiento de carne, por ejemplo, en una cámarade conservación.

Lo primero que hay que hacer es medir las temperaturas de bs y de bhdel aire que entra y sale del serpentín del evaporador. En este ejemplo,las condiciones iniciales del aire son de 27ºC de bs y de 20ºC de bh; lascondiciones a la salida o finales son de 10ºC de bs y 9ºC de bh. En nuestroejemplo, usaremos una velocidad promedio del aire de 158 m/min, yun evaporador de 91 cm de largo por 46 cm de alto.

El primer paso para calcular la capacidad del sistema es trazar lascondiciones del aire a la entrada y a la salida del serpentín sobre la cartapsicrométrica, tal como se muestra en la figura. El punto 1 representalas condiciones de entrada del aire, y el punto 2 representa de salida. Elpunto 3, representa la temperatura aproximada real del serpentín. Elpunto 3 se encuentra extendiendo la línea recta que conecta los puntos1 y 2, hasta la curva de saturación.

Este punto, también llamado el «punto de rocío del aparato», es latemperatura promedio del agua que se condensa sobre la superficie delserpentín. Conforme sea la condición se mueve a la izquierda de la carta,removiendo calor del aire, pero también humedad. Enseguida,encontramos el cambio de calor total en un kilogramo de aire, restandola entalpía en la condición de salida, de la entalpía en la condición deentrada:

ht = 57,5-27,0= 30,5 kJ/kg (13.74-6.45 = 7.29 kcal/kg).

Puesto que el volumen del aire sobre el serpentín es controlado por elventilador, y que este mismo aire cambiará de densidad y volumenespecífico al cambiar la temperatura a través del sistema, el siguientepaso será determinar el peso total del aire que circula por el ventilador.El peso del aire no cambiará, puesto que la materia no puede ser creadani destruida.

El área frontal del evaporador es:

91 x 46 cm = 0.4186 m2.

Si multiplicamos esto por la velocidad del aire sobre el serpentín,tendremos un valor de 66.138 m3/min (0.4186 m2 x 158 m/min).

Ahora, para poder convertir este volumen de aire a peso, dividimos losm3/min entre el volumen específico del aire a las condiciones de entrada,ya que siempre debemos hacer los cálculos para el punto al cual se tomóla medición de la velocidad del aire. Un vistazo a la carta, muestra que



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la condición de entrada cae un poco menos de la mitad, entre las líneasconstantes de volumen de 0.85 y 0.90 m3/ kg de aire seco. Podemosestimar por interpolación, que el valor de volumen específico es de 0.87m3/kg; así pues, tenemos un peso total de aire circulado de 76.02 kg/min(66.138 ÷ 0.87).

Ahora, del cálculo anterior, tenemos un cambio de entalpía de 7.29kcal/kg y tenemos 76.02 kg de aire circulando por minuto. Multiplicandoestos dos valores, nos dará el cambio de entalpía en el aire por minuto,o sea, 7.29 x 76.02 = 554.2 kcal/min. La capacidad total del equipo, bajocondiciones reales, se obtiene multiplicando las kcal/min por 60, paraobtener las kcal/h, 554.2 x 60 = 33,252



Diagrama psicrométrico enfriamiento con deshumidificación

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RESUMEN

• La energía es la capacidad para producir cambios y se puede emplearpara la obtención de calor y trabajo.

• El calor es la energía que se transfiere entre dos sistemas (o de unsistema y sus alrededores), está relacionado con el movimiento delas partículas que componen el cuerpo o sustancia estudiado.

• El frío es el término negativo del calor, que indica su disminución oausencia.

• Cuando dos sistemas comparten espacio físico el calor se transmitedel más caliente al menos caliente. El calor puede pasar de uno aotro de tres formas distintas:

- Por conducción.

- Por convección.

- Por radiación.

• El término temperatura se refiere al nivel de energía calorífica queposee un cuerpo. Los aparatos que se utilizan para medir latemperatura se denominan termómetros:

- Termómetro de mercurio.

- Termómetro de alcohol.

- Termómetros especiales.

Termómetro de máxima.

Termómetros de mínima.

Termómetros de máxima y mínima.

- Termómetro de bulbo termostático.

- Termómetro de par termoeléctrico.

- Termopar.

• Las escalas termométricas actuales se basan en:

- A: La temperatura de fusión del agua.

- B: La temperatura de ebullición del agua.

Las escalas más comunes son:

- Centígrada o Celsius.

- Fahrenheit.

- Reamar.



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- Kelvin.

• Los aumentos de temperatura provocan dilataciones en los cuerpos,que deben ser controladas ya que pueden resultar tan útiles comodañinas para los sistemas.

• El calor específico de un cuerpo es la cantidad de calor que hacefalta suministrar a la unidad de masa de ese cuerpo para elevar sutemperatura un grado Kelvin o un grado centígrado.

• El calor latente es la cantidad de calor que hay que suministrar oextraer a la unidad de masa de ese cuerpo, para provocar en él uncambio de estado, sin que esto provoque un cambio de temperatura.

• Calor sensible es la cantidad de calor que extraída o aportada a uncuerpo es capaz de hacer que su temperatura disminuya o aumenterespectivamente, sin que se produzca ningún cambio de fase en elcuerpo.

• La materia puede existir en la naturaleza ( a la temperatura y presiónde la superficie terrestre) en tres formas físicas distintas que sedenominan estados físicos de la materia o fases de una sustancia:

- Sólido.

- Líquido.

- Gas.

• Los cambios físicos que se pueden producir en la materia son:

- Condensación: paso de una sustancia de estado gas a estadolíquido.

- Solidificación: paso de una sustancia de estado líquido a sólido.

- Fusión: paso de una sustancia de estado sólido a líquido.

- Evaporación: paso de una sustancia de estado líquido a gaseoso.

- Sublimación: paso de una sustancia de estado sólido a gaseososin pasar por el estado líquido.

• Saturación:

- Líquido saturado: esta condición se da cuando una sustancia haabsorbido calor hasta el momento en que empieza a evaporarse.

- Vapor saturado: cuando la temperatura de una sustancia gaseosabaja, debido a una cesión o extracción de calor, hasta un puntoen el que cualquier pérdida de calor supondría la condensaciónde una parte del vapor.

- Mezcla saturada líquido-vapor: esta condición se da en una sustanciacuando el líquido y el vapor coexisten en equilibrio.

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• Los gases se caracterizan por no tener una forma definida y adoptarla del recipiente que los contiene, con los cambios de temperaturay presión el efecto que se obtiene en los gases es mucho mayor si loscomparamos con los que sufren las sustancias en estado líquido ysólido. El estudio de las propiedades de los gases lo separaremos entres partes:

- Ley de Mariotte: a temperatura constante, relación entre presióny volumen.

- Ley de Gay-Lussac: a presión constante, relación entre volumen.

- Ley de Charles: a volumen constante, relación entre presión ytemperatura.

• Gas ideal, o perfecto, es el que sigue rigurosamente las leyes deMariotte, Gay-Lussac y Charles. La desviación del comportamientode un gas real con respecto del de un gas ideal a una temperatura ypresión dadas, puede corregirse con el factor de compresibilidad Z.

• La energía se clasifica en distintos tipos:

- Energía estática:

Energía cinética.

Energía potencial.

Energía interna.

Energía química.

Energía nuclear.

Energía electromagnética.

- Energía dinámica

- Calor

• El trabajo es el producto de la magnitud del desplazamiento por lacomponente de la fuerza paralela al desplazamiento. El trabajorealizado sobre el sistema es positivo, y el trabajo realizado por elsistema es negativo.

• La potencia de una máquina cuantifica el trabajo que realiza duranteun segundo trabajando a régimen constante.

• Ciclo termodinámico es el proceso que tiene lugar en dispositivosdestinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calora distinta temperatura o a producir el paso de calor de la fuente demenor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante larealización de trabajo.

• El ciclo de Carnot es teórico ya que resulta casi imposible llevarlo acabo.

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• El ciclo de Rankine comprende cuatro transformacionestermodinámicas alternadas dos a dos, como el ciclo de Carnot, perose trata de dos transformaciones adiabáticas y dos transformacionesisóbaras.

• El método más utilizado para atemperar un espacio es el basado enla compresión mecánica de un vapor y se compone de las siguientesetapas:

- Evaporación.

- Compresión.

- Condensación.

- Expansión.

• Para estudiar el ciclo frigorífico existen una serie de diagramas quenos ayudan a conocer las propiedades de la sustancia sobre la que seestá actuando:

- Diagrama Presión-Volumen (diagrama P-V o diagrama deAndrews).

- Diagrama Temperatura-Entropía (diagrama T-S o diagramaentrópico).

- Diagrama Presión-Entalpía (diagrama P-H, diagrama entálpico ode Mollier).

- Diagrama Entalpía-Entropía (diagrama H-S).

• La psicrometría es la ciencia que estudia las propiedadestermodinámicas del aire húmedo, el efecto de la humedad atmosféricasobre los materiales y el confort humano y los métodos para controlarlas características térmicas del aire húmedo. Los parámetros que locaracterizan son:

- La humedad.

- Aire saturado.

- Humedad absoluta (ha).

- La humedad relativa (hr).

- Humedad específica.

- Punto de rocío.

• Temperatura del bulbo seco es la temperatura medida por termómetrosordinarios.

• Un termómetro de bulbo húmedo es como un termómetro ordinariocon una mecha o pedazo de tela alrededor del bulbo humedecidacon agua limpia.

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• El porcentaje de saturación, es 100 veces la relación del peso de vaporde agua con el peso del vapor de agua necesario para saturar unkilogramo de aire seco a la temperatura del bulbo seco.

• Los métodos y aparatos que se utilizan para medir la humedad delaire son:

- Método gravimétrico de absorción.

- Método del punto de rocío.

- Higrómetro.

- Psicrómetro.

• Carta psicrométrica es una gráfica de las propiedades del aire, utilizadapara determinar cómo varían estas propiedades al cambiar suhumedad.

• Las operaciones más comunes en el tratamiento del aire son:

- Humidificación.

- Humidificación por vapor de agua.

- Calentamiento sensible.

- Enfriamiento sensible.

- Mezcla de dos cantidades de aire húmedo.

- Calentamiento con deshumificación.

- Enfriamiento con deshumificación.

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GLOSARIO

Absorbente: Sustancia con la habilidad de tomar o absorber otra sustancia.

Acondicionador de aire: Dispositivo utilizado para controlar la temperatura,humedad, limpieza y movimiento del aire en el espacio acondicionado,ya sea para confort humano o proceso industrial.

Adiabática, compresión: Compresión de gas refrigerante, sin quitarle niagregarle calor.

Aeración: Combinación de las substancias con el aire.

Aire: Mezcla de gases que rodea a la tierra, compuesto mayoritariamentepor nitrógeno (N2) y oxígeno (O2).

Aire acondicionado: Control de la temperatura, humedad, limpieza ymovimiento de aire en un espacio confinado, según se requiera, paraconfort humano o proceso industrial. Control de temperatura significacalentar cuando el aire está frío, y enfriar cuando la temperatura es muycaliente.

Aire normal (estándar): Aire que contiene una temperatura de 20° C(68º F), una humedad relativa de 36 % y una presión de 101.325 kPa(14.7 psia).

Aire RAM: Aire forzado a través del condensador, causado por el rápidomovimiento de un vehículo en la carretera.

Aire seco: Aire en el cual no hay vapor de agua (humedad).

Aislamiento (eléctrico): Sustancia que casi no tiene electrones libres; loanterior hace que sea pobre en la conducción de la corriente eléctrica.

Aislamiento (térmico): Material que es pobre conductor de calor; por loque se usa para retardar o disminuir el flujo de calor. Algunos materialesaislantes son corcho, fibra de vidrio, elásticos espumados (poliuretanoy poliestireno), etc.

Ambiente: Condiciones circundantes.

Amoniaco: Combinación química de nitrógeno e hidrógeno (NH3).También se usa como refrigerante y se identifica como R-717.

Anemómetro: Instrumento utilizado para medir la proporción del flujoo movimiento (velocidad) del aire.

A.S.A.: Siglas de "American Standards Association". Ahora se le conocecomo "American National Standards Institute" (A.N.S.I.).

Atmósfera normal (estándar): Ver Aire Normal (Estándar).

Atomizar: Proceso de cambiar un líquido a partículas diminutas de finorocío.

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Átomo: La partícula más pequeña de un elemento; puede existir sola,o en combinación con otros átomos.

Baño: Solución líquida usada para limpiar, recubrir o mantener unatemperatura especificada.

Bar: Unidad de presión absoluta. Un bar equivale a 100 kPa (0.9869atmósferas).

Barómetro: Instrumento para medir la presión atmosférica. Puede estarcalibrado en mm o pulgadas de mercurio en una columna; o en Kg/cm2

o en lb/pulg2.

Bernouilli, Teorema de: En una corriente de líquido, la suma de la cargade altura, la carga de presión y la velocidad, permanece constante a lolargo de cualquier línea de flujo, suponiendo que no se hace ningúntrabajo por o sobre el líquido en el trayecto de su flujo; disminuye enproporción a la pérdida de energía en el flujo.

Boyle, Ley de: Ley de física: el volumen de un gas varía al variar la presión,si la temperatura permanece constante. Ejemplo: Si la presión absolutaejercida sobre un gas se aumenta al doble, su volumen se reduce a lamitad. Si el volumen aumenta al doble, la presión del gas se reduce a lamitad.

Bromuro de litio: Elemento químico, comúnmente utilizado comoabsorbente en un sistema de refrigeración por absorción. El agua puedeser el refrigerante.

Bulbo húmedo, termómetro: Instrumento utilizado en la medición dela humedad relativa. La evaporación de la humedad disminuye latemperatura de bulbo húmedo, comparada con la temperatura de bulboseco de la misma muestra de aire.

Bulbo seco, termómetro: Instrumento con un elemento sensible paramedir la temperatura ambiente del aire.

Bulbo sensor: Parte de un dispositivo con un fluido sellado, que reaccionaa los cambios de temperatura. Se usa para medir temperaturas o paracontrolar mecanismos.

Bulbo sensor de temperatura: Bulbo que contiene un fluido volátil yfuelle o diafragma. El aumento de temperatura en el bulbo causa queel fuelle o diafragma se expanda.

B.T.U. (British Thermal Unit): Cantidad de calor que se requiere paraelevar un grado Fahrenheit, la temperatura de una libra de agua.

Caída de presión: Diferencia de presión en dos extremos de un circuitoo parte de un circuito. Cualquier pérdida de presión en la línea debidaa la fricción del fluido, o a una restricción en la línea.

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Calor: Forma de energía que actúa sobre las sustancias para elevar sutemperatura; energía asociada con el movimiento al azar de las moléculas.

Calor de compresión: Efecto de calefacción que se lleva a cabo cuandose comprime un gas. Energía mecánica de la presión, convertida a energíacalorífica.

Calor de fusión: Calor requerido por una sustancia para cambiar delestado sólido al estado líquido, a una temperatura constante.

Calor de respiración: Proceso mediante el cual, el oxígeno y loscarbohidratos son asimilados por una sustancia; también cuando elbióxido de carbono y agua son cedidos por una sustancia.

Calor específico: Relación de la cantidad de calor requerida para aumentaro disminuir la temperatura de una sustancia en 1° C, comparado con laque se requiere para aumentar o disminuir la temperatura de una masaigual de agua en 1° C. Se expresa como una fracción decimal.

Calor latente: Cantidad de energía calorífica requerida para efectuar uncambio de estado (fusión, evaporación, solidificación) de una sustancia,sin cambio en la temperatura o presión.

Calor latente de condensación: Cantidad de calor liberada por un kg deuna sustancia para cambiar su estado de vapor a líquido.

Calor latente de evaporación: Cantidad de calor requerido por un kg desustancia, para cambiar su estado de líquido a vapor.

Calor sensible: Calor que causa un cambio de temperatura en unasustancia, sin que cambie de estado.

Calor solar: Calor creado por ondas visibles e invisibles del sol.

Calor total: Suma del calor sensible y del calor latente.

Caloría: Unidad para medir el calor en el sistema métrico. Equivale a lacantidad de calor que se requiere, para elevar la temperatura de ungramo de agua en un grado centígrado. 1000 calorías = 1 kcal.

Calorímetro: Dispositivo utilizado para medir cantidades de calor o paradeterminar calores específicos.

Calor, intensidad del: Concentración de calor en una sustancia, indicadapor la temperatura de la misma, mediante el uso de un termómetro.

Cámara de refrigeración: Espacio refrigerado comercial, que se mantienea temperaturas por debajo de la ambiental.

Cambio de estado: Condición en la cual una sustancia cambia de sólidoa líquido o de líquido a gas, debido a la aplicación de calor. O a la inversa,cuando una sustancia cambia de gas a líquido o de líquido a sólido,debido a la remoción de calor.

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Cambio físico: Es aquél que ocurre externamente. No existe un cambiointerno en la estructura de la materia, ya que no existe una reordenaciónde átomos; no se forman sustancias nuevas. Es un cambio de estado, portanto es reversible.

Campo magnético: Espacio en el que existen líneas o fuerzas magnéticas.

Capacidad: Sistema de clasificación en refrigeración. Medido generalmenteen kcal/h o en watios/h, (o en btu/h).

Capacitancia (C): Propiedad de un no-conductor (condensador ocapacitor) que permite almacenar energía eléctrica en un campoelectrostático.

Carga de refrigerante: Cantidad de refrigerante colocada en un sistemade refrigeración.

Carga térmica: Cantidad de calor medida en watios, kcal o btu, la cuales removida durante un período de 24 horas.

Carta psicrométrica: Carta (gráfica) que muestra las relaciones entre laspropiedades del aire, tales como presión, temperatura, contenido dehumedad, volumen específico, etc.

Centígrada, escala: Escala de temperatura usada en el sistema métrico.El punto de congelación del agua es de 0º C, el punto de ebullición esde 100° C.

Cero absoluto (temperatura): Temperatura a la cual cesa todo movimientomolecular. (-273º C y -460º F).

Charles, Ley de: El volumen de una masa dada de gas, a presión constante,varía de acuerdo a su temperatura.

Ciclo: Serie de eventos u operaciones, las cuales tienen una tendenciaa repetirse en el mismo orden.

Ciclo de paro: Segmento del ciclo de refrigeración cuando el sistema noestá operando.

Ciclo intermitente: Ciclo que se repite a intervalos variables de tiempo.

Cilindro: 1.- Dispositivo que convierte fuerza de un fluido en fuerza ymovimiento mecánico lineal. Éste consiste, usualmente, de elementosmóviles tales como un pistón, biela y émbolo, operando dentro de uncilindro. 2.- Contenedor cerrado para fluidos.

Coeficiente de expansión: Incremento en longitud, área o volumen dela unidad, por un grado de aumento en la temperatura.

Compresión: Término utilizado para denotar el proceso de incrementarla presión, sobre un volumen dado de gas, usando energía mecánica. Alhacer esto, se reduce el volumen y se incrementa la presión del gas.

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Compresor: Máquina en sistemas de refrigeración, hecha para succionarvapor del lado de baja presión en el ciclo de refrigeración, y comprimirloy descargarlo hacia el lado de alta presión del ciclo.

Condensación: Proceso de cambiar de estado un vapor o un gas a líquido,al enfriarse por debajo de su temperatura de saturación o punto de rocío.

Condensado: Líquido que se forma cuando se condensa un vapor.

Condensador: Componente del mecanismo de refrigeración, que recibedel compresor vapor caliente a alta presión, enfriándolo y regresándololuego a su estado líquido. El enfriamiento puede ser con aire o con agua.

Condensar: Acción de cambiar un gas o vapor a líquido.

Condiciones normales: Condiciones que se usan como base para loscálculos en acondicionamiento de aire: temperatura de 20° C, presiónde 101.325 kPa y humedad relativa de 30 %.

Conducción: Flujo de calor entre sustancias, por medio de vibración delas moléculas.

Conductividad: Habilidad de una sustancia para conducir o transmitircalor y/o electricidad.

Conductividad, Coeficiente de: Medición de la proporción relativa, a lacual, diferentes materiales conducen el calor. El cobre es un buenconductor del calor, por lo tanto, tiene un coeficiente de conductividadalto.

Conductor: Sustancia o cuerpo capaz de transmitir electricidad o calor.

Congelación: Cambio de estado de líquido a sólido.

Control: Dispositivo manual o automático, utilizado para detener, arrancary/o regular el flujo de gas, líquido y/o electricidad.

Convección: Transferencia de calor por medio del movimiento o flujode un fluido.

Convección forzada: Transferencia de calor que resulta del movimientoforzado de un líquido o un gas, por medio de una bomba o un ventilador.

Convección natural: Circulación de un gas o un líquido, debido a ladiferencia en densidad resultante de la diferencia de temperaturas.

Conversión, Factores de: La fuerza y la potencia pueden ser expresadasen más de una manera. Un hp es equivalente a 746 watios, 33,000 pie-lb de trabajo ó 2,546 btu/h. Estos valores pueden utilizarse para cambiarde unas unidades a otras.

Criogenia: Refrigeración que trata con la producción de temperaturasde -155º C y más bajas.

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Densidad: Estrechez de la textura o consistencia de partículas, dentrode una sustancia. Se expresa como peso por unidad de volumen.

Desaereación: Acto de separar el aire de las sustancias.

Desecante: Sustancia utilizada para colectar y retener humedad, en unsistema de refrigeración. Los desecantes comunes son la sílica gel, laalúmina activada y el tamiz molecular.

Deshidratador: Sustancia o dispositivo que se utiliza, para remover lahumedad, en un sistema de refrigeración.

Deshielo: Proceso de remover la acumulación de hielo o escarcha de losevaporadores.

Deshielo automático: Sistema de remover hielo o escarcha de losevaporadores, de manera automática.

Deshielo con aire: Proceso de remover el hielo o la escarcha acumuladaen el serpentín del evaporador, utilizando los abanicos del mismoevaporador, deteniendo previamente el paso de refrigerante líquido. Elaire circulado, debe tener una temperatura por encima de la decongelación.

Deshielo con agua: Uso de agua para derretir el hielo y la escarcha delos evaporadores, durante el ciclo de paro.

Deshielo por gas caliente: Sistema de deshielo en el cual el gas refrigerantecaliente del lado de alta es dirigido a través del evaporador por cortosperíodos de tiempo, y a intervalos predeterminados, para poder removerla escarcha del evaporador.

Deshielo, Ciclo de: Ciclo de refrigeración en el cual, la acumulación dehielo y escarcha es derretida en el evaporador.

Deshielo, Reloj de (Timer): Dispositivo conectado a un circuito eléctrico,el cual detiene la unidad el tiempo suficiente, para permitir que se derritala acumulación de hielo y escarcha sobre el evaporador.

Deshumidificador: Dispositivo usado para remover la humedad del aire.

Desplazamiento del compresor: Volumen en m3, representado por elárea de la cabeza del pistón o pistones, multiplicada por la longitud dela carrera. Este es el desplazamiento real, no el teórico.

Destilación, aparato de: Dispositivo de recuperación de fluidos, que seusa para recuperar refrigerantes. La recuperación se hace normalmenteevaporando, y luego re-condensando el refrigerante.

Desvío (By pass): Pasadizo en un lado o alrededor de un pasaje regular.

Desvío (By Pass) de gas caliente: Arreglo de tubería en la unidad derefrigeración, la cual conduce gas refrigerante caliente del condensadoral lado de baja presión.

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Diagrama de Molliere: Gráfica de las propiedades de un refrigerante,tales como: presión, temperatura, calor, etc.

Diclorodifluorometano: Refrigerante comúnmente conocido como R-12.

Diferencial: La diferencia de temperatura o presión, entre las temperaturaso presiones de arranque y paro, de un control SA.

Difusor de aire: Rejilla o salida de distribución de aire, diseñada paradirigir el flujo de aire hacia los objetivos deseados.

Dinamómetro: Dispositivo para medir la salida o entrada de fuerza deun mecanismo.

Endotérmica, reacción: Reacción química en la cual se absorbe calor.

Energía: Habilidad real o potencial de efectuar trabajo.

Energía cinética: Energía asociada al movimiento.

Energía electromagnética: Energía que tiene características eléctricas ymagnéticas. La energía solar es electromagnética.

Energía, Conservación de la: Proceso de instituir cambios que resultaránen ahorros de energía, sobre la revisión de los cálculos para determinarlas cargas principales.

Enfriador: Intercambiador de calor que remueve calor de las sustancias.

Enfriador de aire: Mecanismo diseñado para bajar la temperatura delaire que pasa a través de él.

Entalpía: La cantidad de calor en un kilogramo de sustancia, calculadade una base de temperatura aceptada. La temperatura de 0º C, es unabase aceptada para los cálculos del vapor de agua. Para cálculos derefrigeración, la base aceptada es de -40º C.

Entropía: Medida de la cantidad de energía que no puede convertirseen trabajo.

Equilibrio térmico: Cuando la transferencia de energía entre un sistemay otro o su entorno oscila entre un máximo y un mínimo. El valor de lavariación en la entropía de un sistema aislado en equilibrio térmicosiempre será positivo.

Escala centígrada: Escala de temperaturas usada en el sistema métrico.El punto de congelación de agua, a la presión atmosférica normal, es de0º C, y el punto de ebullición es de 100º C.

Escala Fahrenheit: En un termómetro Fahrenheit, bajo la presiónatmosférica normal, el punto de ebullición del agua es de 212º F, y elpunto de congelación es de 32º F arriba de cero.

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Escala Kelvin (K): Escala de temperatura, en la cual, la unidad de mediciónes igual al grado centígrado, y de acuerdo a la cual, el cero absoluto es0º K, equivalentes a -273.16º C. En esta escala el agua se congela a 273.16ºK y bulle a 373.16º K.

Escala Rankine (R): Nombre dado a la escala de temperaturas absolutas,cuyas unidades son similares a los grados Fahrenheit. El cero (0º R) enesta escala equivale a -460º F.

Estado gaseoso: Estado de la materia que no posee volumen ni formafija.

Estado líquido: Estado de la materia que posee volumen fijo, pero noforma fija.

Estado sólido: Estado de la materia que posee volumen y forma fijos.

Estratificación del aire: Condición en la que hay poco, o ningúnmovimiento de aire, en un cuarto. El aire permanece en capas detemperaturas.

Eutéctico: Cierta mezcla de dos sustancias, que proporciona la temperaturade fusión más baja de todas las mezclas, de esas dos sustancias.

Eutéctico, Punto: Temperatura de congelación para soluciones eutécticas.

Evacuación: Renovación de aire (gas) y humedad, de un sistema derefrigeración o aire acondicionado, mediante una bomba de vacío.

Evaporación: Término aplicado al cambio de estado de líquido a vapor.En este proceso se absorbe calor.

Evaporador: Componente del mecanismo de un sistema de refrigeración,en el cual, el refrigerante se evapora y absorbe calor.

Exotérmica, reacción: Reacción química en la que se libera calor.

Expansión: Aumento del volumen de un cuerpo por efecto del incrementode la temperatura o la disminución de presión.

Factor de potencia: Coeficiente de corrección para los valores de lacorriente o voltaje cambiante de la fuerza de CA.

Fase: Distinta función operacional durante un ciclo.

Fluido: Sustancia que puede estar en estado líquido o gaseoso. Sustanciaque contiene partículas, las cuales mueven y cambian de posición sinseparación de la masa.

Fluido criogénico: Sustancia que existe como líquido o como gas, atemperaturas ultra bajas (-157º C o menores).

Frío: La ausencia de calor. Temperatura considerablemente abajo de lanormal.

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Fuerza: La fuerza es una presión acumulada, se expresa en Newtons (N)en el Sistema Internacional, o en libras (Lb), en el Sistema Inglés.

Fundente: Sustancia aplicada a las superficies que van a ser unidas porsoldadura, para evitar que se formen óxidos y para producir la unión.

Fusión: Paso de sólido a líquido al aumentar la temperatura.

Gas: Fase o estado de vapor de una sustancia. Un gas es un vaporsobrecalentado, muy lejos de su temperatura de saturación.

Gas inerte: Gas que no cambia de estado ni químicamente, cuando estádentro de un sistema, aunque se exponga a otros gases.

Gas instantáneo (Flash Gas): Evaporación instantánea de refrigerantelíquido en el evaporador, lo que enfría el refrigerante líquido remanente,a la temperatura de evaporación deseada.

Gas licuado: Gas por debajo de cierta temperatura y por encima de ciertapresión, que se vuelve líquido.

Gas no condensable: Gas que no se convierte en líquido a las temperaturasy presiones de operación.

Halógenos: Grupo de elementos a los que pertenecen el yodo, el bromo,el cloro y el flúor.

Hertz (Hz): Unidad para medir la frecuencia. Término correcto parareferirse a los ciclos por segundo.

Hg (Mercurio): Elemento metálico pesado color plata. Es el único metallíquido a temperaturas ambiente ordinarias.

Hidráulica: Rama de la física que tiene que ver con las propiedadesmecánicas del agua y otros líquidos en movimiento. El flujo del refrigerantelíquido. También contiene un elemento sensible a la humedad, cuyocolor indica el contenido de humedad.

Infiltración: Paso del aire exterior hacia el edificio, a través de ventanas,puertas, grietas, etc.

Instrumento: Dispositivo que tiene habilidades para registrar, indicar,medir y/o controlar.

Intensidad del calor: Concentración de calor en una sustancia, como seindica por la temperatura de esa sustancia, mediante el uso de untermómetro.

Intercambiador de calor: Dispositivo utilizado para transferir calor deuna superficie caliente a una superficie menos caliente (los evaporadoresy condensadores son intercambiadores de calor).

Interenfriamiento: Enfriamiento de vapor y líquido en un sistema derefrigeración de doble etapa. El vapor de la descarga de la primera etapa

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es enfriado hasta casi su temperatura de saturación, antes de entrar a lasiguiente etapa de compresión. También, el líquido del recibidor de lasegunda etapa puede ser enfriado a la temperatura de succión intermedia.

Hidrocarburos: Compuestos orgánicos que contienen solamentehidrógeno y carbono, en varias combinaciones.

Hidrómetro: Instrumento flotante utilizado para medir la gravedadespecífica de un líquido.

Hielo seco: Sustancia refrigerante hecha de dióxido de carbono sólido,el cual cambia de sólido a gas (se sublima). Su temperatura de sublimaciónes de -78º C.

Higrómetro: Instrumento utilizado para medir el grado de humedad enla atmósfera.

Higroscópico: Habilidad de una sustancia para absorber y soltar humedad,y cambiar sus dimensiones físicas, conforme cambia su contenido dehumedad.

HP (Horsepower): Unidad de potencia que equivale a 33,000 pie-lb detrabajo por minuto. Un HP eléctrico es igual a 745.7 watios.

Humedad: Vapor de agua presente en el aire atmosférico.

Humedad absoluta: Cantidad de humedad (vapor de agua) en el aire,indicada en g/m3 de aire seco.

Humedad relativa (hr): La cantidad de humedad en una muestra de aire,en comparación con la cantidad de humedad que el aire tendría, estandototalmente saturado y a la misma temperatura.

Humidificador: Dispositivo utilizado para agregar y controlar humedad.

Humidistato: Control eléctrico operado por cambios de humedad.

Isoterma: Nombre con el que se conoce a la línea o líneas que en unagráfica representan un cambio a temperatura constante.

Isotérmica (expansión o contracción): Acción que se lleva a cabo sin uncambio de temperatura.

Isotérmico: Cambio de volumen o presión bajo condiciones detemperatura constante.

Joule (J): Unidad de energía del Sistema Internacional (SI). Un Jouleequivale al trabajo realizado por la fuerza de un Newton, cuando el puntode aplicación se desplaza una distancia de un metro, en dirección de lafuerza.

Joule-Thomson, Efecto: Cambio en la temperatura de un gas, al expandirsea través de un tapón poroso, desde una presión alta a una presión másbaja.

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Kelvin: (Ver Escala Kelvin).

Kilo Volt Ampere (KVA): Unidad de flujo eléctrico igual al voltaje,multiplicado por el amperaje, y dividido entre mil. Unidad de fuerza quese usa cuando el circuito de fuerza, tiene un factor de potencia diferentea 1.0. (KW = KVA x cos 0). «Nota 1».

Kilocaloría: Unidad de energía y trabajo, equivalente a mil calorías. Vercaloría.

Kilopascal (kPa): Unidad de presión absoluta equivalente a mil Pascales.Ver Pascal.

Kilowatio (kW): Unidad de potencia equivalente a mil Watios. Ver Watio.

Ley de Dalton: "La presión de vapor creada en un recipiente, por una mezclade gases, es igual a la suma de las presiones de vapor individuales de los gases,contenidos en la mezcla".

Licor: En refrigeración, se llama así a la solución utilizada en los sistemasde refrigeración por absorción.

Limpiador de aire: Dispositivo utilizado para remover impurezasproducidas en el aire.

Línea de descarga: En un sistema de refrigeración, es la tubería queacarrea el gas refrigerante, desde el compresor hasta el condensador.

Línea de líquido: Tubería que acarrea refrigerante líquido, desde elcondensador o recibidor hasta el mecanismo de control de refrigerante.

Línea de succión: Tubería que acarrea refrigerante gaseoso, desde elevaporador hasta el compresor.

Línea de tierra: Alambre eléctrico que conduce electricidad de manerasegura, desde una estructura hacia el suelo.

Líquido: Sustancia cuyas moléculas se mueven libremente entre sí, peroque no tienden a separarse como las de un gas.

Líquidos inflamables: Líquidos que tienen un punto de encendido abajode 60º C (140º F), y una presión de vapor que no excede los 276 kPa (40psia) a 38º C (100º F).

Lubricación forzada: Sistema de lubricación que utiliza una bomba, paraforzar al aceite hacia las partes móviles.

Lubricación por salpicadura: Método de lubricar las partes móviles,agitando o salpicando el aceite dentro del cárter.

Manómetro: Instrumento para medir presiones de gases y vapores. Esun tubo de vidrio (o plástico) en forma de "U", con una cantidad delíquido (agua o mercurio) y los extremos abiertos.

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Manómetro compuesto: Instrumento para medir presiones por arriba yabajo de la presión atmosférica.

Manómetro de alta presión: Instrumento para medir presiones en elrango de 0 a 500 psig (101.3 a 3,600 kPa).

Manómetro de baja presión: Instrumento para medir presiones en elrango de 0 a 50 psia (0 a 350 kPa).

Manómetro de Bourdon: Instrumento para medir presión de gases yvapores, el cual se basa en el tubo de Bourdon. Son circulares y consistende carátula y aguja para indicar la presión.

Manómetro de compresión: Instrumento usado para medir presionespositivas (arriba de la presión atmosférica) solamente. La carátula deestos manó-metros, normalmente va de 0 a 300 psig (101.3 a 2,170 kPa).

Masa: Cantidad de materia mantenida junta, de tal manera que formaun cuerpo.

Masa molar: Masa (por lo general en gramos) de un mol de sustancia.

Materia: Todo aquello que tiene masa y volumen.

MBH: Miles de BTU (14 MBH = 14,000 BTU).

Medidor de flujo: Instrumento utilizado para medir la velocidad o elvolumen de un fluido en movimiento.

Megohmio: Unidad para medir la resistencia eléctrica. Un meghomio esigual a un millón de ohms.

Mercoid, bulbo: Interruptor de circuito eléctrico, que utiliza una pequeñacantidad de mercurio en un tubo de vidrio sellado, para hacer o rompercontacto eléctrico con las terminales dentro del tubo.

Micro: La millonésima parte de una unidad especificada.

Microfaradio (mfd): Unidad de la capacidad eléctrica de un capacitor.Un microfaradio es igual a la millonésima parte de un faradio.

Micrómetro: Instrumento de medición, utilizado para hacer medicionesprecisas hasta de 0.01 mm.

Micrón: Unidad de longitud en el sistema métrico, que equivale a lamilésima parte (1/1000) de un milímetro.

Microprocesador: Componente eléctrico compuesto de circuitosintegrados, los cuales pueden aceptar y almacenar información, y controlarun dispositivo de capacidad.

Mili: Prefijo utilizado para denotar una milésima parte (1/1,000); porejemplo, milivoltio significa la milésima parte de un voltio.

Mirilla: Tubo o ventana de vidrio en el sistema de refrigeración, que sirve

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para mostrar la cantidad de refrigerante o aceite, e indica la presenciade burbujas de gas en la línea de líquido.

Mol: Unidad utilizada en química, que corresponde a la cantidad de:átomos, iones, moléculas, electrones, protones u otras entidades específicascuyo valor es 6 *10 23 unidades.

Molécula: La parte más pequeña de un átomo o un compuesto, queretiene la identidad química de esa sustancia.

Monóxido de Carbono (CO): Gas incoloro, inodoro y venenoso. Seproduce cuando se quema carbón o combustibles carbonosos con muypoco aire.

Motor: Máquina rotatoria que transforma energía eléctrica en movimientomecánico.

Neopreno: Hule sintético, resistente al aceite y gas hidrocarburo.

Neutralizador: Sustancia utilizada para contrarrestar ácidos, en un sistemade refrigeración.

Neutrón: La parte del núcleo de un átomo, el cual no tiene potencialeléctrico; eléctricamente es neutro.

Newton: Unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI), equivalentea la fuerza ejercida sobre un objeto que tiene una masa de un kilogramo,y una aceleración gravitacional de 1 m/seg2.

Nitrógeno líquido: Nitrógeno en forma líquida, utilizado como refrigerantede baja temperatura, en sistemas de refrigeración sacrificables o químicos.

Número de Reynolds: Relación numérica de las fuerzas dinámicas delflujo de masa, con el esfuerzo puro debido a la viscosidad.

Ohm (R): Unidad de medición de la resistencia eléctrica. Un ohm existe,cuando un voltio causa un flujo de un ampere.

Óhmetro: Instrumento para medir la resistencia eléctrica en ohms.

Ohm, Ley de: Relación matemática entre el voltaje, la corriente y laresistencia en un circuito eléctrico, descubierta por George Simon Ohm.Esta se establece como sigue: el voltaje (V), es igual a la corriente enamperes (I), multiplicada por la resistencia (R) en ohms; V = I x R.

Orgánico: Perteneciente a o derivado de organismos vivos.

Orificio: Abertura de tamaño exacto para controlar el flujo de fluidos.

Ozono: Una forma de oxígeno, O3, que tiene tres átomos en su molécula,generalmente es producido por descargas eléctricas a través del aire. Lacapa de ozono es la capa externa de la atmósfera de la tierra, que absorbela luz ultravioleta del sol, y protege a las capas más bajas y a la tierra delos dañinos rayos. En esta capa de ozono se han producido agujeroscausados por el cloro. Los clorofluorocarbonos (CFC's) contienen cloro,y cuando se liberan a la atmósfera, deterioran la capa de ozono.

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Pascal (Pa): Unidad de presión absoluta en el sistema internacional (SI);es igual a la fuerza de un Newton ejercida sobre una superficie de unm2; Pa = N/m2. Para algunos fines científicos o prácticos, el Pascal puederesultar una unidad muy pequeña, por lo que entonces se utiliza elkiloPascal (kPa) o el BAR. 1 kPa = 1,000 Pa y 1 BAR = 100 kPa.

Pascal, Ley de: Esta ley establece que la presión aplicada a un fluido, setransmite igualmente en todas direcciones. Para honrar a Pascal, elsistema internacional de unidades (SI), utiliza el término Pascal comounidad de presión.

pH: Medición de la concentración de iones de hidrógeno libres en unasolución acuosa. El rango del pH va de 1 (acidez) hasta 14 (alcalinidad).Un pH de 7 es neutro.

Piezoeléctrico: Propiedad del cristal de cuarzo que le causa vibracióncuando se le aplica un voltaje de alta frecuencia (500 kHz o más alto).Este concepto se utiliza para atomizar agua en un humidificador.

Pirómetro: Instrumento utilizado para medir altas temperaturas.

Presión: Energía impactada sobre una unidad de área. Fuerza o empujesobre una superficie.

Presión absoluta: Es la suma de la presión manométrica más la presiónatmosférica.

Presión atmosférica: Presión que ejerce el aire atmosférico sobre la tierra.Se mide en kPa, mm de Hg, kg/cm2, lb/pulg2, etc. Al nivel del mar, tieneun valor de 101.325 kPa (14.696 lb/pulg2).

Presión crítica: Condición comprimida del refrigerante, en la cual ellíquido y el gas tienen las mismas propiedades.

Presión de alta: Término empleado para referirse a la presión a la quese lleva a cabo la condensación, en un sistema de refrigeración.

Presión de baja: Presión del lado de baja del ciclo de refrigeración, a laque se lleva a cabo la evaporación.

Presión de condensación: Presión dentro de un condensador, a la queel vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporación y se vuelvelíquido. Varía con la temperatura.

Presión de diseño: La más alta o más severa presión esperada, durantela operación. Algunas veces se usa como la presión de operación calculada,más una tolerancia por seguridad.

Presión de operación: Presión real a la cual trabaja el sistema, bajocondiciones normales. Puede ser positiva o negativa (vacío).

Presión de succión: En un sistema de refrigeración, se llama así a lapresión a la entrada del compresor.

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Presión de vapor: Presión ejercida por un vapor o un gas.

Presión estática: Presión de un fluido, expresada en términos de la alturade columna de un fluido, tal como el agua o el mercurio.

Presión piezométrica: En un sistema de refrigeración, se llama así a lapresión contra la que descarga el compresor. Comúnmente, es la presiónque existe en el lado del condensador y se mide en la descarga delcompresor.

Presiones parciales: Condición donde dos o más gases ocupan un espacio,cada uno ejerciendo parte de la presión total.

Primera Ley de la Termodinámica: La energía no se crea ni se destruye,sólo se transforma (ley de la conservación de la energía).

Proceso: Cambio de estado termodinámico de un sistema.

Proceso irreversible: Proceso que no puede revertirse desde su estadofinal hasta su estado inicial. Todos los procesos conocidos en nuestrouniverso son irreversibles. Todos los procesos están ligados a la entropía,de tal modo que si alguien afirmara que un proceso es reversible, élestaría sugiriendo que dicho proceso viola la segunda ley de latermodinámica.

Proceso reversible: Proceso cuya trayectoria entre los estados inicial yfinal se puede conocer (de trayectoria conocida) y revertirse hasta suestado inicial. No existen procesos reversibles en el universo real.

PSI: Iniciales de "pounds per square inch", se usan para expresar presionesen el sistema inglés.

PSIA: Iniciales de "pounds per square inch absolute", se usan paraexpresar presiones absolutas en el sistema inglés.

Psicrométrica, medición: Medición de las propiedades del aire: comotemperatura, presión, humedad, etc., utilizando una carta psicrométrica.

Psicrómetro: Instrumento para medir la humedad relativa del aire.

PSIG: Iniciales de "pounds per square inch gauge", se usan para expresarpresiones manométricas en el sistema inglés.

Punto de congelación: Temperatura a la cual se solidifica un líquido alremoverle calor. La temperatura (o punto) de congelación del agua esde 0º C (32º F), a la presión normal o atmosférica.

Punto de congelación, depresión del: Temperatura a la cual se formahielo, en una solución de agua con sal.

Punto de ebullición: Temperatura a la que un líquido hierve, bajo lapresión atmosférica de 101.3 kPa. El punto de ebullición del agua puraes de 100º C a nivel del mar.

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Punto de fusión: Temperatura a la cual se derrite o se funde una sustanciaa la presión atmosférica.

Punto de ignición: En los líquidos, es la temperatura a la cual arden, ycontinúan quemándose, por lo menos durante 5 segundos.

Punto de inflamación: En los líquidos, es la temperatura más baja, en lacual el vapor que existe sobre la superficie se inflama cuando se exponea una llama, pero que se apaga inmediatamente.

Punto triple: Condición de presión-temperatura, en la cual una sustanciaestá en equilibrio (balance) en los estados sólido, líquido y vapor.

Quemadura por congelación: Condición aplicada a los alimentos que nohan sido debidamente envueltos, y que se han vuelto duros, secos ydescoloridos.

Radiación: Transmisión de calor por rayos térmicos u ondaselectromagnéticas.

Rango: Ajuste de presión o temperatura de un control; cambio dentrode los límites.

Rankine: Ver escala Rankine.

Reacción endotérmica: Reacción que absorbe energía del medio ambiente.

Reacción exotérmica: Reacción que libera energía al medio ambiente.

Recocido: Proceso de tratar un metal térmicamente, para obtenerpropiedades deseadas de suavidad y ductilidad.

Refrigerante: Sustancia utilizada en los mecanismos de refrigeración.Absorbe calor en el evaporador, cambiando de estado de líquido a vapor,liberando su calor en un condensador, al regresar de nuevo del estadogaseoso al estado líquido.

Relación de compresión: Relación de volumen del espacio muerto conel volumen total del cilindro. En refrigeración, también se utiliza comola relación de la presión absoluta del lado de alta, entre la presión absolutadel lado de baja.

Rendimiento termodinámico: Medida de la capacidad de una máquinatérmica para transferir por medio de trabajo (W) parte de la energíaabsorbida (Qc) desde la fuente caliente, de acuerdo con las limitacionesresultantes de la Segunda Ley de la Termodinámica. La definiciónoperacional de Rendimiento Termodinámico es la siguiente

Como la Primera Ley de la Termodinámica establece que W=Qc-Qf,entonces, alternativamente se puede expresar

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donde Qf es la energía transferida por medio de calor hacia la fuentefría (descarga de calor residual). Como necesariamente se debe cumplirque Qf>0, entonces para toda máquina térmica h <1 (o sea, ningunamáquina térmica puede tener un rendimiento del 100%).

Rocío: Humedad atmosférica condensada, depositada en forma depequeñas gotas sobre las superficies frías.

Rocío, Punto de: Temperatura a la cual el vapor de agua del aire (a 100%de humedad relativa) comienza a condensarse y depositarse como líquido.

Saturación: Condición existente, cuando una sustancia contiene la mayorcantidad que pueda retener, de otra sustancia, a esa presión y temperatura.

Segunda Ley de la Termodinámica: El calor no fluye espontáneamentede un sistema frío a otro más caliente.

SI: Ver Sistema de Unidades SI.

Sistema: Cantidad de materia incluida entre límites reales o imaginarios.

Sistema abierto: Es un sistema que realiza transferencia de masa haciaadentro y hacia afuera del sistema.

Sistema aislado: Es aquél que no tiene ninguna interacción con suentorno. No existen sistemas aislados en el universo

Sistema cerrado: Es un sistema en el que no puede haber transferenciade masa a través de sus límites (sistema con masa constante). Sólo existencomo modelos hipotéticos.

Sistema de Unidades SI (Le Systéme Internacional d' Unitès): Sistemade mediciones creado para usarse internacionalmente. En prácticamentetodos los países europeos es obligatorio; algunos países, como EstadosUnidos, no lo han adoptado aún, por la consabida razón del tiempo ycosto que implica el cambio. En nuestro país, tampoco se ha impuestototalmente por la influencia del sistema métrico; aunque algunas unidadesson comunes a ambos sistemas.

Sistema Métrico Decimal: Sistema decimal de mediciones.

Sistema No-Aislado: Es aquél que tiene interacción con su entorno.

Sistema Unitario: Sistema de calefacción/refrigeración, ensamblado defábrica en un solo paquete; es comúnmente diseñado para acondicionarun espacio o cuarto.

Sobrecalentamiento: 1- Temperatura del vapor arriba de su temperaturade ebullición (saturación) a la misma presión. 2- La diferencia entre latemperatura a la salida del evaporador, y la temperatura más baja del

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refrigerante que se está evaporando en el evaporador.

Solidificación: Paso de líquido a sólido.

Solución: Líquido mezclado con otro líquido o sólido completamentedisuelto. Una solución acuosa de bromuro de litio (comúnmente usadaen sistemas de absorción), es agua con una cantidad de bromuro de litiodisuelta. Las soluciones "fuertes" o "débiles", son aquellas conconcentraciones altas o bajas, respectivamente, de otro líquido o sólido.

Subenfriamiento: Enfriamiento de refrigerante líquido, abajo de sutemperatura de condensación.

Sublimación: Condición donde una sustancia cambia de sólido a gas, sinvolverse líquido.

Sustancia: Cualquier forma de materia o material.

Sustancia pura: Aquélla que no puede descomponerse en otra más simplemediante cambios físicos. Posee propiedades características que permitenidentificarla como por ejemplo densidad, temperatura de ebullición,temperatura de fusión, etc.

Temperatura: 1- Intensidad de calor o frío, tal como se mide con untermómetro. 2- Medición de la velocidad del movimiento de las moléculas.

Temperatura: Temperatura medida desde el cero absoluto.

Temperatura ambiente: Temperatura de un fluido (generalmente elaire), que rodea un objeto por todos lados.

Temperatura crítica: Temperatura a la cual el vapor y el líquido tienenlas mismas propiedades.

Temperatura de bulbo húmedo: Medición del grado de humedad. Es latemperatura de evaporación de una muestra de aire.

Temperatura de bulbo seco: Temperatura del aire, medida con untermómetro ordinario.

Temperatura de condensación: Temperatura dentro de un condensador,en el que el vapor de refrigerante cede su calor latente de evaporacióny se vuelve líquido. Varía con la presión.

Temperatura de ebullición: Temperatura a la cual un líquido cambia agas.

Temperatura efectiva: Efecto global de la temperatura sobre un humano,humedad y movimiento del aire.

Termodinámica: Rama de las ciencias; trata con las relaciones entre elcalor y la acción mecánica.

Termómetro: Instrumento para medir temperaturas.

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Termostato: Dispositivo que detecta las condiciones de la temperaturaambiente, y a su vez, acciona para controlar un circuito.

Trabajo: Forma de transferencia de energía entre un sistema y su medioexterior, que se manifiesta por la actuación de fuerzas capaces de provocardistintos efectos, tales como desplazamientos, deformaciones y otros.

Transmisión: Pérdida o ganancia de calor desde un edificio, a través decomponentes exteriores como ventanas, paredes, pisos, etc.

Transmisión de calor: Movimiento de calor desde un cuerpo o sustanciaa otro. El calor puede transmitirse por radiación, conducción, conveccióno combinación de las tres anteriores.

Unión: Punto de conexión (como entre dos tubos).

Unión caliente: La parte de un circuito termoeléctrico que libera calor.

Vacío: Presión menor que la atmosférica.

Vapor: Estado o fase de una sustancia que está en su temperatura desaturación, o muy cercano a ella.

Vapor saturado: Vapor que se encuentra a las mismas condiciones detemperatura y presión que el líquido del cual se está evaporando. Esdecir, si este vapor se enfría, se condensa.

Vaporización: Cambio del estado líquido al gaseoso.

Ventilación: Flujo de aire forzado, por diseño, entre un área y otra.

Volumen específico: Volumen por unidad de masa de una sustancia(m3/kg).

Watio: Unidad de potencia, equivale a la potencia producida al realizarun trabajo de 1 Joule por segundo (1 Watio = 1 J/s).

Zona de confort: Área sobre una carta psicrométrica, que muestra lascondiciones de temperatura, humedad, y algunas veces, el movimientodel aire, en que la mayoría de la gente se siente confortable.

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CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN

1. ¿Para qué sirve la termodinámica?

2. Definición de energía.

3. ¿Qué es el calor y qué relación tiene con la energía?

4. Definición de frío. Comentar la relación que guarda con el calor.

5. Nombra las formas de transmisión de calor que existen e indica aque forma corresponden los siguientes ejemplos:

- Radiadores

- Paso del calor a través de las paredes de casa.

- Sol

- Calentamiento del mango de una cazuela que está al fuego

6. Definición de Temperatura.

7. Nombra tres escalas termométricas, cómo se denominan sus unidadesy cómo se denota.

8. Cual será la longitud final de una varilla de aluminio de 200 metrossi su temperatura inicial era de 5 ºC y se calienta hasta que alcanzalos 55ºC.

9. Realiza la conversión de las siguientes cantidades de calor de unasunidades a otras según se indica:

1200 kcal = cal

4500 kJ = kcal

3274 kcal = Btu

128 kJ = J

17 Kcal = kJ

10 kJ = Btu

78 J = kJ

21 Btu = kcal

114 cal = kcal

357 Btu = Kj

10. Determina el nombre de una sustancia sabiendo que son necesarios408.7 calorías para elevar en 7ºC la temperatura de 30kg de dichasustancia.

11. Definición de calor latente.

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12. Definición de calor sensible.

13. Nombra los estados en los que nos podemos encontrar la materia enla naturaleza, y la denominación de los procesos de cambio de faseque puede sufrir una sustancia.

14. ¿Que es el punto crítico de una sustancia?

15. Enumera las tres leyes que sirven de base para el estudio de los gasesy las variables que se tienen en cuenta en estas leyes.

16. ¿Qué es un gas ideal?

17. ¿Qué es el factor de compresibilidad y para qué es útil?

18. Da una definición de trabajo y di qué relación guarda este conceptocon la energía.

19. Enumera los tipos de transformaciones del calor que conozcas yexpón en qué consisten.

20. ¿Qué potencia tiene una máquina que es capaz de realizar un trabajode 800 J cada 2 minutos? ¿Cuánto tiempo tarda en realizar un trabajode 80 kJ una máquina de 7kW de potencia?

21. Indica el rendimiento teórico que obtendríamos de una máquinaque realiza un ciclo de trabajo en 2 minutos entre 15 y 10 ºC.

22. ¿Cuál es el método más utilizado para refrigerar un espacio? Nombralas partes que componen el proceso.

23. Nombra los diagramas que conozcas para el estudio de instalacionesfrigoríficas.

24. Enumera las acciones más importantes a realizar a la hora deacondicionar aire de climatización.

25. ¿Qué estudia la psicrometría?

26. Nombra características del aire seco.

27. ¿A qué hace referencia la expresión humedad en el ambiente?

28. Lista los parámetros a tener en cuenta en el tratamiento del aire paraclimatización o acondicionamiento de espacio.

29. ¿En qué método de medición de la humedad se enfría una superficiemetálica hasta que aparezcan condensaciones sobre ella?

30. ¿Qué aparato de medida está formado por un conjunto de dostermómetros, uno seco y otro húmedo?

31. A una muestra de aire se le midió la humedad relativa, utilizando unhigrómetro y ésta es de 60%. Si la temperatura de bulbo seco es de27º C, ¿cuál será el punto de rocío?

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32. ¿Qué propiedades del aire podemos encontrar en una cartapsicrométrica?

33. Enumera los componentes del diagrama psicrométrico.

34. Di a qué operación de tratamiento de aire corresponde cada uno delas acciones siguientes:

- Un cambio en calor que provocará una bajada en la temperaturadel aire.

- Añadir vapor de agua en el aire para compensar una disminuciónde la humedad relativa debido al calentamiento del aire.

- Eliminación simultánea del calor y la humedad.

35. Supongamos que en un psicrómetro se toman lecturas de lastemperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo, siendo éstas de 24ºCy de 17ºC, respectivamente. ¿Cuál será la humedad relativa,temperatura de rocío y humedad absoluta?

36. Encontrar la hr cuando la temperatura de bulbo seco es de 32 o C,y el contenido de humedad (presión del vapor de agua) es de 0,014kg/kg de aire seco.

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BIBLIOGRAFÍA

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