Diapositiva 1 - Universidad de Chile

BIOFISICA AMBIENTAL
Año 2010
VAPOR DE AGUA Y OTROS GASES
Edmundo Acevedo H
Profesor Titular
Universidad de Chile
www.sap.uchile.cl
Los organismos intercambian oxígeno, CO2 y vapor de agua
con el medio.
•El CO2 es el substrato para la fotosíntesis, proceso en el que el
oxígeno es un producto.
•El O2 es el substrato para la respiración y el CO2 es en este caso
un producto.
•El intercambio de estos gases con el medio es un requisito de la vida
•La pérdida de agua ayuda a los organismos a mantener su balance
de energía y, por lo tanto, su temperatura. Sin embargo, las
reacciones bioquímicas requieren de un estado altamente hidratado por lo
que la pérdida de agua amenaza la sobrevivencia.
Hay una gran ventaja en expresar las concentraciones de los gases en
fracciones molares: moles de sustancia por mol de aire. Es conveniente
expresar los flujos como moles m-2 s-1.
La relación entre densidad o concentración volumétrica y cantidad de
una sustancia j en un gas es:
j
njMj
V
donde nj es el número de moles, M j la masa molecular y V es el volumen
del gas.
Dado que la fracción molar de j es la fracción de los moles de gas j
en relación a los moles de aire,
C
j
nj
na
Ma j
Mj a
Ma es la masa molecular de aire y Mj es la masa molecular del
componente j
Propiedades de los principales componentes del aire
Gas
Masa Molecular
(g / mol)
Nitrógeno
28.01
0.78
1.250
Oxígeno
32.00
0.21
1.429
CO2
44.01
0.00034
1.977
Vapor de agua
18.02
0 a 0.07
0.804
28.97
1.00
1.292
Aire
Fracción molar en
aire
Densidad a STP
(Kg / m3 )
La densidad molar, ρj / Mj,( ⍴´) es la misma para todos los gases. A
temperatura y presión estándar (STP; 0ºC y 101.3 kPa ) la densidad
molar de cualquier gas es 44.6 mol m-3 (un mol de cualquier gas ocupa
un volumen de 22.4 litros)
j
njMj
V
La variación de densidad molar, ⍴´, con la presión y la temperatura está
dada por la Ley de Boyle- Charles que señala que el volumen de un gas
es inversamente proporcional a su presión (p) y directamente proporcional
a su temperatura absoluta (T),
´ 44.6
p 273 .15
101 .3 T
A 20ºC (293 K) y a nivel del mar (101.3 kPa), ⍴´=41.4 mol m-3
La relación entre volumen, temperatura y presión para un gas perfecto es:
pjV
njRT
pj es la presión parcial del gas j y R es la constante de los gases, 8.3143 J mol-1 K -1
Así,
Cj
pj
pa
Por lo tanto, la fracción molar de un gas puede calcularse dividiendo su presión parcial
por la presión atmosférica total.
Además, si dos gases con volúmenes iniciales V1 y V2 se mezclan y dan un volumen Va
y la presión es la misma en los tres volúmenes, la fracción volumétrica V1/ Va es igual a
la fracción molar, n1 / na. Por lo tanto, ppm ó ppb en base a volumen, están relacionados
directamente a la fracción molar.
Por otra parte,
j
njMj
,
V
pj
RT
Mj
j
Vapor de agua.
•Condición de saturación. La presión de vapor a saturación (es (T)) es la presión
más alta de vapor de agua que puede existir en equilibrio con una superficie de agua
libre a una temperatura dada. Se puede calcular con la relación:
es (T )
bT
a exp
T c
(
)
en que, para las aplicaciones de biofísica ambiental, las constantes son:
a = 0.611 k Pa ; b = 17.502 , y c = 240.97º C
Para el caso de presión de vapor sobre hielo (que es diferente a la presión de
vapor sobre agua), los coeficientes son : b = 21.87 y c = 265.5º C.
La pendiente de la función de presión de vapor a saturación (△) se obtiene derivando
la ecuación anterior con respecto a T.
bces (T )
2
(c T )
La pendiente de la fracción molar a saturación se representa por s y está dada por,
s
/ pa
La fracción molar depende tanto de la temperatura como de la presión. Se calcula
dividiendo el valor de es (T) por la presión atmosférica. La principal variable que
determina la presión atmosférica es la elevación, por lo que pa se puede estimar con
la expresión,
pa
(
A
101 .3 exp
8200
en que A es la altitud (msnm) y pa está en K Pa
)
•Condición de saturación parcial. La saturación parcial puede expresarse en
términos de la presión parcial de vapor o fracción molar, humedad relativa,
déficit de vapor, temperatura del punto de rocío o temperatura del bulbo
húmedo.
HR
ea
es T
el déficit de vapor, D, está dado por,
D es Ta ea es Ta 1 HR
La presión de vapor a la temperatura del punto de rocío es la presión de vapor
ambiental,
es Td
ea
Además,
Td
c ln ea / a
b ln ea / a
b = 17.502 , y c = 240.97º C
ea
es Tw
pa Ta Tw
donde es el calor latente de vaporización del agua (44 k J / mol ), Tw es la
temperatura del bulbo húmedo, = cp/ es la constante psicrométrica
( 6.66 x 10 - 4 C – 1 y cp es el calor específico del aire ( 29.3 j mol -1 K – 1 ).
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