Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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MEZCLAS DE GAS-VAPOR
14-1 AIRE SECO Y AIRE ATMOSFÉRICO
T, °C
Aire seco
T,°C c p ,kJ/kg · °C
–10
0
10
20
30
40
50
1.0038
1.0041
1.0045
1.0049
1.0054
1.0059
1.0065
FIGURA 14-1
Puede suponerse que el c p será constante
a 1.005 kJ/kg · °C en el intervalo de
temperatura de 10 a 50 °C con un error
menor de 0.2 por ciento.
El aire es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y pequeñas cantidades de otros
gases. Normalmente, el aire en la atmósfera contiene cierta cantidad de vapor
de agua (o humedad) y se conoce como aire atmosférico. En contraste, el aire
que no contiene vapor de agua se denomina aire seco. Es conveniente tratar
al aire como una mezcla de vapor de agua y aire seco, porque la composición
del aire seco permanece relativamente constante, pero la cantidad de vapor
de agua varía por la condensación y evaporación de los océanos, lagos, ríos,
regaderas e incluso del agua del cuerpo humano. A pesar de que la cantidad
de vapor de agua en el aire es pequeña, desempeña un importante papel en la
comodidad cotidiana del ser humano. En consecuencia, es importante tomarlo
en cuenta en los dispositivos de acondicionamiento de aire.
La temperatura del aire en aplicaciones de acondicionamiento de aire varía
de 10 a cerca de 50 °C. En este intervalo, el aire seco puede tratarse como
un gas ideal con un valor c p constante de 1.005 kJ/kg · K [0.240 Btu/lbm · R]
con un error insignificante (menor a 0.2 por ciento), como se ilustra en la
figura 14-1. Si se toma como temperatura de referencia los 0 °C, la entalpía y
el cambio de entalpía de aire seco se determinan por
y
h aire seco c p T 11.005 kJ>kg # °C2T1kJ>kg2
¢h aire seco c p ¢T 11.005 kJ>kg # °C2 ¢T1kJ>kg2
(14-1a)
(14-1b)
donde T es la temperatura del aire en °C y ΔT es el cambio en la temperatura.
En procesos de acondicionamiento de aire interesan los cambios en la entalpía
Δh, los cuales son independientes del punto de referencia elegido.
Por supuesto, sería conveniente tratar al vapor de agua en el aire como un
gas ideal; y probablemente usted esté dispuesto a sacrificar un poco de exactitud
por tal ventaja. Pero sucede que es posible sacar provecho de esta condición
sin mucho sacrificio. A 50 °C, la presión de saturación del agua es de
12.3 kPa. A presiones por debajo de este valor, el vapor de agua puede tratarse
como un gas ideal con un error insignificante (menor a 0.2 por ciento),
incluso cuando es un vapor saturado. Por lo tanto, el vapor de agua en el aire
se comporta como si existiera solo y obedece la relación de gas ideal Pv
RT. En este caso, el aire atmosférico se trata como una mezcla de gases ideales
cuya presión es la suma de la presión parcial del aire seco* P a y la del
vapor de agua P v :
P P a P v (kPa) (14-2)
50
h = const.
FIGURA 14-2
A temperaturas por debajo de los 50 °C,
las líneas de h constante coinciden
con las líneas de T constante en la
región de vapor sobrecalentado del agua.
s
A la presión parcial del vapor de agua se le conoce como presión de vapor.
Es la presión que el vapor de agua ejercería si existiera solo a la temperatura y
volumen del aire atmosférico.
Dado que el vapor de agua es un gas ideal, la entalpía del vapor de agua
es una función exclusiva de la temperatura, es decir, h h(T). Esto también
puede observarse en el diagrama T-s del agua que se presenta en las figuras
A-9 y 14-2, donde las líneas de entalpía constante coinciden con las líneas de
temperatura constante a temperaturas inferiores a 50 °C. Por lo tanto, la ental-
* En este capítulo, el subíndice a denota el aire seco y el subíndice v significa vapor de
agua.