Psicometría. Principios básicos y protocolos experimentales diversos E-Book

Rodolfo Acevedo Chávez

• Herausgeber: UNAM, Facultad de Química
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 220

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Cada uno de los 31 protocolos experimentales (inéditos) de este libro es autocontenido. De esta forma, cada uno puede ser abordado independientemente del resto. Ello facilita enormemente la selección y ejecución. Cada protocolo fue diseñado, realizado en laboratorio, optimizado para su reproducibilidad, y analizado en sus datos y resultados. Todos y cada uno fueron diseñados y ejecutados en el laboratorio personal de los autores.

Leseprobe

PSICROMETRÍA

Principios básicos y protocolosexperimentales diversos

Rodolfo Acevedo Chávez

María Eugenia Costas Basin

RECONOCIMIENTOS

Los autores hacen un reconocimiento a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico, UNAM, por el financiamiento otorgado a través del proyecto PAPIME PE101315 (2015), para la edición y publicación del proyecto académico Docente que constituye la obra presente.

Esta publicación fue autorizada por el Comité Editorial de la Facultad de Química, UNAM.

El trabajo presente fue realizado experimentalmente en el laboratorio personal de los autores, y cuya infraestructura es propiedad de los mismos.

A tí Renata, en esta nueva etapa de tu vida,como siempre, con amor inconmensurable

PRESENTACIÓN

Probablemente, el primer contacto a cierto nivel de detalle que un estudiante de Licenciatura –en Ciencias Químicas e Ingenierías relacionadas- tiene con ciertos cambios de las propiedades de fluidos gaseosos, sea a través del estudio del tema Ecuaciones de Estado de Equilibrios Termodinámicos de los sistemas. Convencionalmente, en los cursos introductorios se abordan sistemas gaseosos (de uno o más componentes no reactivos) en el límite de la idealidad del espacio PVT. En el caso de las mezclas gaseosas, el estudio se circunscribe a gases cuyas propiedades críticas les confieren coloquialmente el calificativo de “permanentes”, bajo las condiciones de P, V y T asociadas a los cambios de estado que son modelados. Un ejemplo típico de estos sistemas gaseosos con más de un componente, lo ha sido el de un aire simplificado en donde se consideran solamente algunos componentes, como son N2, O2 y Ar, por ejemplo.

En los cursos introductorios convencionales referidos, no se abordan sistemas mas complejos, como son los constituidos por mezclas de aire atmosférico y H2O(v). El estudio de tales sistemas empieza a realizarse en cursos más avanzados, como por ejemplo de Fisicoquímica y/ó de Operaciones Unitarias. Sobre estos cursos, es común que no exista un programa experimental simultáneo que aborde tópicos diversos sobre los sistemas, y que tienen peso específico curricular tanto por el conocimiento fundamental como por el carácter tecnológico que aportan con su realización en una sala experimental.

Pretendiendo contribuir en parte a la solución de dicha problemática y como parte de nuestro Programa Docente Experimental en Licenciatura, se diseñó un programa de protocolos experimentales, que pudieran ser abordados sin grandes dificultades tecnológicas y operacionales, que presentara en sus dos primeras partes los principios sobre los cuales descansa el estudio de las mezclas aire – H2O(v) (aire húmedo), para después y en una tercera parte, a un conjunto amplio y sistemático de experimentos sobre estudios psicrométricos de aire, bajo condiciones y procesos disímbolos, sumamente ilustrativos y de gran utilidad en la vida contemporánea.

Cada uno de los 31 protocolos experimentales (inéditos) es autocontenido. De esta forma, cada uno puede ser abordado independientemente del resto. Ello facilita enormemente la selección y ejecución. Cada protocolo fue diseñado, realizado en laboratorio, optimizado para su reproducibilidad, y analizado en sus datos y resultados. Todos y cada uno fueron diseñados y ejecutados en el laboratorio personal de los autores.

La cuarta parte del trabajo presente considera una selección de obras, relacionadas en niveles variados con el tema que aquí se aborda.

Por último, los autores aspiran a que este trabajo represente una experiencia pedagógica en la formación de todo estudioso de las Ciencias Químicas e Ingenierías relacionadas estrechamente.

Dr. Rodolfo Acevedo ChávezInvestigador IndependienteDra. María Eugenia Costas BasinFacultad de Química, UNAM.

CONTENIDO

PRESENTACIÓN

PRIMERA PARTE. Equilibrios de fases líquido vapor y algunos tópicos relacionados

SEGUNDA PARTE. Mezclas aire - H2O(v) y parámetros psicrométricos esenciales

TERCERA PARTE. Protocolos experimentales sobre estudios psicrométricos de aire. Introducción

Experimento 1.Presiones parciales en fluidos gases y humedad relativa en aire

Experimento 2.Humedad relativa y temperatura de rocío de un aire atmosférico bajo la lluvia

Experimento 3.Determinación de la θ de rocío de un aire ambiental bajo llovizna pertinaz

Experimento 4.Producción de una Hr(%) controlada en un gabinete cerrado

Experimento 5.Obtención de una Hr(%)=100.0 en aire

Experimento 6.Determinación de la presión del H2O(v) de una disolución acuosa saturada con un soluto no volátil

Experimento 7.Determinación de presiones de H2O(v) de una disolución acuosa saturada con un soluto no volátil

Experimento 8.Conducta temporal de la temperatura de bulbo seco, humedad relativa (%) y temperatura de rocío de un aire atmosférico

Experimento 9.Capacidad de deshumidificación de un agente higroscópico

Experimento 10. Capacidad de humidificación de aire de un nebulizador

Experimento 11. Humidificación de un flujo de aire por inyección de H2O(v)

Experimento 12. Conducta de la humedad relativa de un aire confinado ante la presión absoluta a temperatura constante

Experimento 13. Parámetros de aire ambiental bajo la operación de un humidificador evaporativo (I)

Experimento 14. Parámetros de aire ambiental bajo la operación de un humidificador evaporativo (II)

Experimento 15. Deshumidificación de aire al interior de un refrigerador de uso doméstico (I)

Experimento 16. Deshumidificación de aire al interior de un refrigerador de uso doméstico (II)

Experimento 17. Humedad relativa de aire en una cámara congeladora de tiro forzado

Experimento 18. Saturación de aire por aspersión de H2O(l) a temperatura elevada

Experimento 19. Humedad relativa de aire en una cámara congeladora convencional

Experimento 20. Cambios en los parámetros psicrométricos de aire bajo la elevación de θ bulbo seco a presión constante

Experimento 21. Estudio comparativo de valores de Hr(%) obtenidos de tipos variados de psicrómetros

Experimento 22. Psicrómetro de dos bulbos vs. termo-higrómetro electrónico para laboratorio

Experimento 23. Parámetros psicrométricos de un aire bajo operación de un sistema acondicionador

Experimento 24. Humidificación de aire con un evaporador operado por electrodos

Experimento 25. Contenido relativo de H2O(l) “libre” en un fruto

Experimento 26. Psicrometría y presión de H2O(v) en disoluciones acuosas

Experimento 27. Psicrometría y presiones de vapor de disoluciones acuosas

Experimento 28. θ de bulbo seco y Hr(%) de un aire atmosférico invernal (“norte”)

Experimento 29. Parámetros psicrométricos de un aire en una estancia de laboratorio, y estimación de la masa de H2O(v) presente en él

Experimento 30. Sobresaturación de H2O(v) en la mezcla de dos flujos de aire: producción de neblina

CUARTA PARTE. Bibliografía

AVISO LEGAL

PRIMERA PARTE

EQUILIBRIOS DE FASES LÍQUIDO VAPOR Y ALGUNOS TÓPICOS RELACIONADOS

EQUILIBRIOS DE FASES LÍQUIDO VAPOR Y ALGUNOS TÓPICOS RELACIONADOS

Considérese un recipiente cerrado herméticamente, al cual se le ha evacuado totalmente el aire (g) original presente dentro de él. El recipiente es llevado (con ayuda de un baño térmico con termostato) a una temperatura constante θ1. El recipiente posee un indicador de presión absoluta, y es de una sensibilidad notable. Bajo la evacuación total del aire (g) original, el indicador registró una presión absoluta igual a cero. En dicho recipiente se introduce ahora una cierta masa de un líquido (puro y desgasificado previamente), al cual se le clasifica coloquialmente como relativamente volátil. A las condiciones de θ1, el indicador registra un valor mayor que cero, denominado P1. Lo anterior se ilustra así:

- El valor de P1 se debe a la presión que ejerce el vapor formado. A dicha presión se le llama presión del vapor a la temperatura θ1, o también presión de vapor del líquido a la temperatura θ1.

-Ambas fases (líquido y vapor) se encuentran a la misma temperatura (θ1).

-Las propiedades respectivas de ambas fases no cambian con el tiempo.

-Ambas fases se encuentran respectivamente, y entre sí, en equilibrio termodinámico.

-Si a θ1, se extrae un poco del vapor con una jeringa, se reduce momentáneamente la presión del vapor. El conjunto (líquido) – (vapor) se encuentra momentáneamente fuera de equilibrio; para reestablecer el equilibrio a θ1, el conjunto evoluciona hacia una evaporación parcial del líquido a θ1, formándose vapor, e incrementándose la presión de éste hasta que ella vuelva a tomar el valor P1.

-Si a θ1 y por el contrario, se inyecta un poco de vapor, se incrementa momentáneamente el valor de la presión del vapor por sobre P1. El conjunto (líquido) – (vapor) se encuentra momentáneamente fuera de equilibrio; para reestablecerlo, el conjunto evoluciona hacia una condensación parcial del vapor a θ1, reduciéndose la presión de éste hasta que ella vuelva a tomar el valor P1.

Las dos perturbaciones anteriores se pueden también practicar sobre la fase líquida a θ1 (extracción parcial ó introducción adicional de líquido a θ1). En ambos casos, el conjunto (líquido) – (vapor) evoluciona en el sentido correspondiente, hasta restituir el valor P1.

Se entiende entonces que a θ1, existe un equilibrio de fases líquido-vapor, denotado (l) (v), en el cual las fases líquido y vapor se denominan respectivamente líquido saturado y vapor saturado a θ1. El que estén saturados, no significa que no haya intercambio de materia entre ambas fases. Dicha transferencia existe, pero el balance neto es que, por ejemplo, por cada partícula de vapor que ingresa a la fase líquida, hay una partícula de la fase líquida que ingresa a la fase vapor. Por ello es que las propiedades macroscópicas de ambas fases no cambian con el tiempo.

El mismo experimento descrito anteriormente se puede efectuar a las temperaturas θ2, θ3., …, θn. Lo anterior se ilustra así:

Así, para cada θi existe un equilibrio l v; a cada valor de θi le corresponde un valor Pi. El conjunto de equilibrios se muestra en una gráfica Pi - θi:

La curva constituida por el conjunto de puntos Pi - θi, se denomina curva del equilibrio de fases l v para un componente puro. Cada punto de dicha curva tiene por coordenadas un valor de θi y un valor de Pi. θi es la temperatura del conjunto (l) – (v) en equilibrio de fases, Pi es la presión de vapor del líquido a θi (ó la presión de vapor saturado a θi).

El análisis y resultado anterior es independiente de las dimensiones del recipiente o de la masa del conjunto (l) – (v). Pi es una propiedad intensiva; solo depende de la naturaleza fisicoquímica del sistema monocomponente y de θi.

Tan es así, que el análisis y resultado anterior es aplicable también a un caso más complejo, como el que se ilustra a continuación:

En este esquema, Pi es el valor de la presión del H2O(v) a la temperatura θi. Si dicho valor de Pi es igual a la presión de vapor del H2O en el equilibrio de fases H2O(l) H2O(v) a θi, entonces existe también en dicho recipiente un equilibrio de fases H2O(l) H2O(v) a θi.

Esto es muy importante, puesto que un equilibrio de fases (l) (v) para un sistema particular, se puede estudiar bajo la presencia de otros componentes, como es el caso ilustrado.

En el esquema anterior, tanto el H2O(v) como el H2O(l) son fases saturadas a θi. A dicho valor de θi, por cada partícula de H2O que transita de la fase líquida a la fase vapor, existe el tránsito opuesto de otra partícula de H2O. En el ejemplo ilustrado anteriormente, se dice también (y coloquialmente) que el aire(g) se encuentra “saturado” de H2O(v), “saturación” que ocurre a la temperatura θi.

¿Qué sucede cuando las condiciones descritas para este ejemplo no se cumplen, y cómo evoluciona el conjunto H2O(l) - H2O(v) bajo perturbaciones variadas? He aquí algunos ejemplos:

Si la presión parcial (Pi) del H2O(v) presente en el aire(g) a θi es menor que la presión de vapor del H2O () en el equilibrio de fases H2O(l) H2O(v) a θi, el conjunto H2O(l) - H2O(v) anterior no se encuentra en equilibrio termodinámico. Esto se ilustra a continuación:

El punto (1) representa tal situación para el H2O(v) presente en el aire a θi. El punto (2) muestra cuál es el valor de la presión del H2O(v) en el equilibrio de fases H2O(l) H2O(v) a θi. El punto (1) se encuentra fuera de la curva de equilibrios de fases. Indica que el H2O(v) no está en equilibrio con la fase H2O(l) a θi. De hecho, el punto (1) está indicando que a θi, la fase H2O(v) es termodinámicamente más estable que la fase líquida. ¿Cómo evolucionará el conjunto H2O(l) - H2O(v) bajo estas condiciones?

Supongamos que el recipiente es cerrado. Bajo estas restricciones y a θi, el aire(g) se encuentra insaturado de H2O(v). Por tanto, se presentará una evaporación parcial del H2O(l) a θi, hasta que la presión parcial de H2O(v) en el aire se iguale a la presión de vapor en el equilibrio H2O(l) H2O(v) a la misma θi. Cuando se cumpla esta igualdad, se establecerá el equilibrio de fases entre el H2O(l) y el H2O(v) presente en el aire, ambas a θi. En otras palabras, el conjunto H2O(l) - H2O(v) evoluciona de (1) a (2). Cuando se encuentra en (2), se tiene en consecuencia que el aire(g) se encuentra saturado de H2O(v).

Pongamos por caso que el recipiente anterior es abierto, y que el aire(g) se renueva permanentemente, pero manteniendo constante θi. Bajo estas condiciones, también el aire(g) se encuentra insaturado de H2O(v). El resultado es que habrá una transición H2O(l) → H2O(v) a θi, de carácter incesante.

Supongamos el que el H2O(v) presente en el aire(g) se encuentra en el punto (1) como estado inicial, y que se hace descender la temperatura del conjunto H2O(l) – aire(g); también descenderá la θ del H2O(v). Pongamos por caso que el descenso de θ se da bajo condiciones isobáricas. Bajo esta trayectoria, y bajo el descenso de θ, el H2O(v) llega a θs. A dicha temperatura, el H2O(v) se encuentra en equilibrio de fases con el H2O(l). El vapor de H2O está saturado y el aire(g) se encuentra saturado de H2O(v):

En el punto (3), la presión parcial del H2O(v) en el aire es igual a la presión de vapor del H2O(l) en el equilibrio de fases H2O(l) H2O(v) a θs. En higrometría, al valor de θi se le denomina θ del bulbo seco; a θs temperatura del punto de rocío. θi se determina estableciendo el equilibrio térmico entre un termómetro y el aire(g). El equilibrio térmico es extensible al H2O(v) presente en el aire(g). Por otra parte, θs se determina haciendo que el aire entre en equilibrios térmicos sucesivos con una superficie metálica brillante cuya temperatura se hace descender por etapas controladas en forma fina. Cuando se inicia la condensación (del H2O(v) presente en el aire) sobre la superficie metálica, la temperatura a la que se encuentra la superficie es a su vez la temperatura del punto de rocío (también denominada θr).

En higrometría se emplea un término denominado humedad relativa (Hr) del aire. Este parámetro se define como:

Habitualmente se expresa como (%). Esto es:

Por otra parte, si la presión parcial de H2O(v) presente en el aire a θi es mayor que la presión de H2O(v) en el equilibrio de fases H2O(l) H2O(v) a θi, se tiene entonces que el H2O(v) está sobresaturado y así también en estado de no equilibrio termodinámico. Dicho estado se representa por (1) en el diagrama siguiente:

Bajo dichas condiciones, la tendencia termodinámica del conjunto es evolucionar (a θi) al equilibrio H2O(l) H2O(v). Esto se realizará con base en la condensación parcial (H2O(v) → H2O(l)) del H2O(v), puesto que está sobresaturado; el exceso de H2O(v) (PH2O(v) en (1) a θi – a θi) se elimina bajo dicho proceso. La restitución del equilibrio de fases H2O(l) H2O(v) se representa por (2). El proceso citado se indica con la flecha (1)→(2). Bajo dichas condiciones (punto (2)), el H2O(v) presente en el aire está saturado; el aire(g) también está saturado con H2O(v) a θi.

Otra manera de llevar el conjunto H2O(l) - H2O(v) a un estado de equilibrio H2O(l) H2O(v), es elevar la θ del conjunto bajo condiciones isobáricas, hasta el punto (3). Bajo dichas condiciones, el H2O(v) presente en el aire(g) está saturado (equilibrio H2O(l) H2O(v) a θs). El aire(g) a θs también está saturado de H2O(v).

SEGUNDA PARTE

MEZCLAS AIRE – H2O(v) Y PARÁMETROS PSICROMÉTRICOS ESENCIALES

MEZCLAS AIRE – H2O(V) Y PARÁMETROS PSICROMÉTRICOS ESENCIALES

Este tipo de sistemas forma parte de la familia de mezclas constituidas por un conjunto de gases (elementos y/o compuestos que se encuentran por arriba de su temperatura crítica Tc) y un gas particular, denominado vapor (fluido condensable por simple abatimiento de θ, o incremento de P, debido a que se encuentra por debajo de su Tc y su Pc).

Como se comprenderá, las mezclas aire-H2O(v) son susceptibles de ser modificadas en su composición, esto es, en el contenido de H2O(v). Esto se puede lograr de formas diversas, entre éstas, por simples efectos térmicos. Como se comprenderá también, el contenido de H2O(v) en el aire a ciertas condiciones de T y P, puede expresarse bajo criterios diferentes.

Tradicionalmente y en campos diversos de la Ingeniería, el contenido de H2O(v) en el aire recibe el nombre de humedad. Sobre este parámetro del aire existe más de una definición, y es importante conocer tanto las más frecuentes como sus relaciones. A continuación se exponen las más empleadas en la literatura sobre el tema, el cual recibe el nombre de Psicrometría.

Definiciones.

I. Humedad Específica (H). Se define como la masa de H2O(v) presente en el aire bajo estudio, referida a una unidad de masa de aire seco (base seca); ejemplos de unidades para H son:

Por tanto, la definición operacional para H, es:

Ahora, asumiendo que tanto el H2O(v) como el aire base seca siguen la conducta límite del gas ideal, entonces se tiene que:

Ahora, sustituyendo (2) y (3) en (1) se tiene que:

Si se asume que el aire base seca está constituido preponderantemente por N2(g) y O2(g), entonces:

% mol N2(g) ≅ 79.0

% mol O2(g) ≅ 21.0

de aquí se tiene entonces que:

MMaire seco ≅ (0.79)(MM N2(g)) + (0.21)(MM O2(g)) ≅ 28.8 g/mol

Por tanto, (4) toma la expresión:

En (5), las propiedades a determinar son la presión atmosférica local temporal y la presión parcial del H2O(v) presente en el aire.

Nótese que en esta definición de humedad, se tiene la consecuencia siguiente: Asumiendo que para un aire en estudio Patm es constante, y así también la relación , y existe un cierto cambio en la θ de la mezcla H2O(v) – aire seco, entonces la ecuación (5) predice que PH2O(v) no cambia, lo cual, como se comprenderá, es una idealización a la realidad microscópica de las interacciones moleculares en dicho sistema.

Interludio

Aire saturado de H2O(v), es aire en el cual el H2O(v) presente está en equilibrio de fases (l) (v) con H2O(l) a la misma temperatura del aire. Esto se ilustra abajo:

Así, si , se tiene que la presión parcial del H2O(v) en dicho aire saturado a θi, es igual a la presión de vapor del H2O(l) a la θi del aire. El H2O(v) bajo estas condiciones, es vapor saturado. Por otra parte, si a las mismas condiciones de θi señaladas arriba, se tiene que PH2O(v) en el aire es menor que la presión de vapor del H2O(l), entonces, el H2O(v) en el aire es vapor no saturado; se dice que el aire está insaturado.

Por último, si también a las mismas condiciones de θi acotadas arriba, se presenta que PH2O(v) en el aire es mayor que la presión de vapor del H2O(l), entonces el H2O(v) presente en el aire es vapor sobresaturado; se producirá espontáneamente condensación parcial de H2O(v), hasta el restablecimiento del equilibrio (l) (v), siendo el resultado aire saturado.

II. Humedad de Saturación (HS). Se define como:

en (6), es la presión de vapor del H2O(l) a la θi del aire. HS se expresa en las mismas unidades que H.

De (6) se observa que un aire saturado de H2O(v) puede variar su contenido de H2O(v), si el equilibrio (l) (v) (entre el H2O(v) contenido en el aire y el H2O(l)) es llevado a valores diferentes de θi (del aire y del H2O(l)). Por ejemplo, un aire saturado a una θi elevada presentará un contenido mayor de H2O(v) respecto a un aire saturado a una θi baja. Nótese también que cuando en (5) se cumple con la igualdad PH2O(v) (en el aire)= , el valor de H (ecuación (5)) es igual al de HS (ecuación (6)).

III. Humedad relativa (Hr). Se define como la razón de la presión parcial del H2O(v) presente en el aire, a la presión de vapor del H2O(l) a la θ del aire. Usualmente se expresa como un porcentaje (%):

Esta modalidad de humedad, es muy común en la vida diaria: los higrómetros comerciales arrojan lecturas de Hr(%). Desafortunadamente, muchos de estos instrumentos están ajustados para una presión atmosférica estándar (1.0 atm), y muy pocos pueden ser reajustados a las condiciones locales de uso.

IV. Porcentaje de Humedad (HA). Se define como la razón de la humedad específica (H) a la humedad de saturación (HS), ambas a la θ del aire. Comúnmente se expresa en (%):

Así también:

De (9) se observa que:

b)Para cuando PH2O(v) en el aire < , HA(%) < Hr(%)

c)Para todos los valores de Hr(%) diferentes a 0.0 y 100.0, HA(%) < Hr(%).

Estas son varias de las modalidades de humedad (contenido de H2O(v) en el aire) que se manejan en la literatura. Como se observa de ellas, las variables fundamentales son ciertos tipos de presión y temperatura. También hay que remarcar que en el fondo, todas descansan en considerar tanto al H2O(v) como al aire base seca, y sus mezclas, como gases ideales.

Para el manejo adecuado de las ecuaciones, se abordarán a continuación ciertas definiciones, que serán útiles para nosotros, en el manejo particular de la Hr(%).

1) Temperatura de bulbo seco (θb.s.)