Aire Húmedo

Unidad de Apoyo para el Aprendizaje

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Introducción

Gotas de lluvia cayendo sobre un charco

Al contemplar las nubes y percibir la ocurrencia de la lluvia, surge la interrogante de entender el motivo detrás de estos fenómenos. La constatación de que los objetos mojados adquieren mayor peso genera un dilema, incitándonos a indagar cómo el agua asciende en la atmósfera. Mediante la aplicación de la ley general de los gases, el número de Avogadro, la masa atómica y la ley de volúmenes parciales, en esta unidad se abordará la explicación de la densidad del aire húmedo en comparación con el aire seco, para esclarecer este proceso, y así fundamentar por qué se produce el fenómeno de ascensión del agua.

Explicar el efecto de la humedad en el aire, a través de la ley general de los gases, el número de Avogadro, la masa atómica y fracciones, para reconocer los eventos que de ello derivan en el ambiente.

Actividad 1. Punto de partida

La humedad confiere ciertas propiedades al aire que hacen que sea más ligero. Repasemos algunos principios básicos que permiten explicar por qué ocurre este efecto y con ello conocer dónde están tus conocimientos

Generalidades del efecto de la humedad en la densidad del aire

Para estudiar el efecto de la humedad en la densidad del aire retomemos algunas definiciones útiles para el estudio de este tópico.

Se conoce que el número de Avogadro (NA) es la cantidad de átomos que contiene 1 mol de átomos cuya masa es igual a la masa atómica del elemento. Con base en lo anterior establece una relación entre la escala macroscópica y la escala microscópica de la materia.

Por otra parte, la ley de Avogadro establece que volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas; por lo tanto, un mol (n) de cualquier gas ocupa el mismo volumen bajo condiciones idénticas.

Tanque de agua conectado a tanque y barómetro
WordPress. (s. f.). Fluidos y ondas [ilustración]. Tomada de https://delatorresteffani.files.wordpress.com/2014/05/avogadro-1.gif

La ley general de los gases describe el comportamiento de los gases en función de cuatro variables principales:

Presión (P) Volumen (V)
Temperatura (T) Cantidad de sustancia (n)
P1V1 / T1
∝masa

Esta ley, también conocida como ley de Boyle-Mariotte o ley de Charles, establece que, a una temperatura constante, la presión de un gas es inversamente proporcional a su volumen (V), y a una presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura (T).

PV ∝ nT

El peso molecular promedio (M) de una mezcla gaseosa se refiere a la masa promedio de las moléculas que la componen (Mi), considerando sus proporciones relativas (yi). Se calcula sumando los productos de las fracciones molares de cada gas por sus respectivos pesos moleculares.

M= n ∑ i=1
MiYi

La fracción húmeda del aire es la proporción de la presión parcial de vapor de agua respecto a la presión total del aire. Se expresa como la relación del número de moles de vapor de agua al número total de moles de gases presentes.

fh=
moles agua / moles agua + moles aire

La composición del aire atmosférico contiene los siguientes gases.

Dos esferas azules unidas por tres puentes cilíndricos grises
Elemental nitrógeno

Elemental nitrógeno

Constituye aproximadamente el 78 % del aire.

Dos esferas rojas unidas por dos cilindros grises
Elemental oxígeno (O2)

Elemental oxígeno (O2)

Representa alrededor del 21 % del aire.

Tres esferas rosas una junto a la otra
Argón (Ar)

Argón (Ar)

Contribuye con aproximadamente el 0.93 %.

Dos esferas rojas unidas por dos cilindros a una esfera negra
El dióxido de carbono

Dióxido de carbono (CO₂)

Presente en un porcentaje de alrededor de 0.04 %, aunque este valor puede variar.

Neón (Ne), Helio (He), Metano (CH₄), Kriptón (Kr), Hidrógeno (H₂), Xenón (Xe).

Neón (Ne), Helio (He), Metano (CH₄), Kriptón (Kr), Hidrógeno (H₂), Xenón (Xe).

Estos gases se encuentran en proporciones mucho menores. En conjunto forman el 0.01 % restante.

A continuación, se revisará qué sucede con un volumen de aire cuyo contenido de humedad se incrementa, con base en la ley de Avogadro, la ley general de los gases y el conocimiento de los pesos moleculares de los constituyentes del aire seco y húmedo.

Cálculo de la densidad del aire húmedo

Mediante la secuencia de pasos que se presenta enseguida, se buscará determinar teóricamente si el aire húmedo es más liviano o más denso en comparación con el aire seco.

Paso 1. El principio de Avogadro establece que volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas. Dado que los gases consisten en una multitud de moléculas diferentes, cada una con su propio peso molecular, el peso molecular promedio considera la proporción de cada tipo de molécula en la mezcla; así, el peso molecular promedio de un gas se refiere a la masa promedio de las moléculas que lo componen.

El peso molecular promedio (M) de una mezcla gaseosa de n compuestos se puede obtener a partir de…

M= ∑ni=1 Mi yi (1)

En donde Mi es el peso molecular del constituyente i, y el término y_i es la fracción mol o volumen del constituyente i.

Paso 2. Conociendo que la composición aproximada del aire seco es de 21% oxígeno y 79 % nitrógeno, se puede obtener el peso molecular promedio del aire seco.

Para el caso del aire seco la fracción mol del oxígeno (O2) es yO2=0.21 y del nitrógeno (N2) yN2 = 0.79. Conociendo que el peso molecular del O2 es 32 g/mol y del N2 28 g/mol tenemos que…

M = 32(0.21) + 28(0.79)=28.8 g/mol (2)

Paso 3. Incluyendo la humedad en el aire como otro componente.

A partir del principio de Avogadro podemos definir la fracción húmeda como el volumen de agua entre el volumen de aire húmedo como…

fH =
Vagua / Vagua+Vaire
(3)

En donde fH es la fracción húmeda, Vagua es el volumen de vapor de agua (L) y V aire – es el volumen de aire seco (L). Los valores que puede tener fH van de 0 cuando Vagua = 0 L (aire seco) a 1 cuando Vaire = 0 L (puro vapor de agua).

Paso 4. Se puede estimar el peso molecular del aire húmedo Mw, que es una mezcla de vapor de agua con aire de la siguiente forma:

Mw = (1-fH) (Maire ) + fH Magua (4)

En donde Magua es el peso molecular del agua (18 g/gmol).

Paso 5. Estimación de la densidad de una mezcla gaseosa.

Supongamos que, bajo condiciones ambientales, la densidad (m/V) se puede calcular utilizando la ecuación general de los gases

PV = m / M RT (5)

En donde P presión (atm), V- volumen (L), m – masa del compuesto (g), M- peso molecular (g/gmol), R constante de los gases (L atm K-1 mol-1) y T temperatura (K).

Para obtener la densidad (ρ=m/V) se despeja de la ecuación 4 los términos para que dé m/V a la derecha de la igualdad. Así queda:

ρ = m / V = PM / RT (6)

En donde ρ es la densidad del gas (g/L). A partir de la ecuación anterior se puede observar que la densidad de una mezcla gaseosa para las mismas condiciones de presión y temperatura está influenciada solamente por el peso molecular.

Paso 6.

Gráfica

Para determinar el peso molecular de una muestra de aire que contiene cierta cantidad de humedad, se utiliza la ecuación (4) y se obtiene el siguiente gráfico. En el lado izquierdo se observa que la densidad del aire seco es mayor, ya que representa el 100 % de aire seco. En el eje x, la fracción húmeda varía de cero a 1, y se presenta una línea que desciende de manera lineal hasta el valor calculado de la densidad para un volumen que considera únicamente vapor de agua. La conclusión evidente es que el aire con humedad resulta ser más ligero que el aire seco (6).

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Lo anterior se explica porque las moléculas de oxígeno y nitrógeno, con pesos moleculares de 32 y 28 respectivamente, son reemplazadas por moléculas de vapor de agua, cuyo peso molecular es 18.

Para ilustrar la relación entre humedad y temperatura, explora el siguiente interactivo. Elige la fracción de humedad (fH) y la temperatura, para una presión al nivel del mar (NMM) y observa cómo varían la temperatura y la humedad de una parcela de aire con la misma densidad en la Ciudad de México, en donde la presión es menor que la del nivel del mar, esto es debido a que la CDMX se ubica a 2200 m s. n. m." (metros sobre el nivel del mar).

Cálculo de la densidad del aire húmedo

Altura

Temperatura

Fracción húmeda


Temperatura

Fracción húmeda

Peso molecular promedio

Densidad

A continuación, se presentan los siguientes ejercicios que te ayudarán a visualizar el efecto de la humedad, la presión y temperatura en la densidad del aire, es recomendable que los escribas en una hoja de papel para ayudarte en la actividad 2.

  • 1) ¿Cuál sería la densidad del aire a 20C y 10% humedad en la CDMX y a nivel del mar?

  • 2) ¿Cuál sería la humedad en la CDMX y a nivel del mar para que a 20C se tenga la misma densidad de 0.8 g/cm3 en ambos sitios?

  • 3) Obtén la densidad a nivel del mar a T=30C y FH = 0.6 y para T=10C FH =0.9

  • 4) Obtén la densidad del aire para T=20C y FH =0.8 y para T=10 FH =0.8

Actividad 2. Relacionando la temperatura y fracción húmeda con la densidad

A continuación, reforzaremos el conocimiento sobre las propiedades del aire atmosférico, para establecer la relación entre la temperatura y la fracción húmeda, con la densidad del aire.

Autoevaluación. Composición del aire

En resumen, hemos explorado diversos conceptos relacionados con la composición del aire, el número de Avogadro, la ley general de los gases, la densidad del aire y la influencia de la temperatura, la presión y la humedad en la atmósfera.

El aire atmosférico está compuesto principalmente por nitrógeno y oxígeno, con trazas de otros gases.

La densidad del aire puede variar según la temperatura, la presión y la humedad.

Fuentes de información

    Básicas

  • García, A. (2016). Protección ambiental del aire. Facultad de Química-UNAM.
  • Hoobs, P. (2000). Basic physical chemistry for the atmospheric sciences. Cambridge University Press.
  • Manahan, S. (2001). Fundamentals of environmental chemistry (2nd ed.). Lewis Publishers.

    • Complementarias

    Bibliografía

  • Stull, R. (2015). Practical meteorology. An algebra-based survey of atmospheric science. University of British Columbia.
  • Wallace, J. M. & Hobbs, P. V. (2006). Atmospheric science: an introductory survey (vol. 92, 2nd ed.). Elsevier.

    • Documentos electrónicos

  • Almanza, V. y García, J. A. (2023, octubre-diciembre). A different approach to estimate air moisture [Un enfoque diferente para estimar la humedad del aire]. Educación Química, 34(4). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2023.4.83628

Cómo citar

García, J. A. (2024). Aire húmedo. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED/Instituto de Ciencias de la Atmósfera y Cambio Climático-UNAM. (Vínculo)