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Humedad e higrometría |
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La temperatura de bulbo húmedo (WBT) es la temperatura leída por un termómetro cubierto con un paño empapado en agua ( termómetro de bulbo húmedo ) por el que pasa el aire. [1] Al 100% de humedad relativa , la temperatura de bulbo húmedo es igual a la temperatura del aire (temperatura de bulbo seco ); a menor humedad, la temperatura de bulbo húmedo es más baja que la temperatura de bulbo seco debido al enfriamiento por evaporación .
La temperatura de bulbo húmedo se define como la temperatura de un paquete de aire enfriado hasta la saturación (100% de humedad relativa) por la evaporación del agua en él, con el calor latente suministrado por el paquete. [2] Un termómetro de bulbo húmedo indica una temperatura cercana a la temperatura real (termodinámica) de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura más baja que se puede alcanzar en las condiciones ambientales actuales mediante la evaporación del agua únicamente.
Incluso las personas adaptadas al calor no pueden realizar actividades normales al aire libre más allá de una temperatura de bulbo húmedo de 32 ° C (90 ° F), equivalente a un índice de calor de 55 ° C (130 ° F). El límite teórico para la supervivencia humana durante más de unas pocas horas a la sombra, incluso con agua ilimitada, es de 35 ° C (95 ° F), teóricamente equivalente a un índice de calor de 70 ° C (160 ° F), aunque el calor el índice no llega tan alto. [3]
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Si un termómetro se envuelve en un paño humedecido con agua, se comportará de manera diferente. Cuanto más seco y menos húmedo esté el aire, más rápido se evaporará el agua. Cuanto más rápido se evapore el agua, menor será la temperatura del termómetro en relación con la temperatura del aire.
El agua solo puede evaporarse si el aire que la rodea puede absorber más agua. Esto se mide comparando cuánta agua hay en el aire con el máximo que podría haber en el aire: la humedad relativa . 0% significa que el aire está completamente seco y 100% significa que el aire contiene toda el agua que puede contener en las circunstancias actuales y no puede absorber más agua (de ninguna fuente).
Esto es parte de la causa de la temperatura aparente en los seres humanos. Cuanto más seco esté el aire, más humedad puede contener más allá de la que ya contiene, y más fácil será que se evapore el agua extra. El resultado es que el sudor se evapora más rápidamente en el aire más seco, enfriando la piel más rápidamente. Si la humedad relativa es del 100%, no se puede evaporar el agua y no es posible enfriar por sudoración o evaporación.
Cuando la humedad relativa es del 100%, un termómetro de bulbo húmedo tampoco puede enfriarse por evaporación, por lo que leerá lo mismo que un termómetro sin envolver.
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La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura más baja que se puede alcanzar mediante el enfriamiento por evaporación de una superficie ventilada humedecida con agua.
Por el contrario, el punto de rocío es la temperatura a la que se debe enfriar el aire ambiente para alcanzar el 100% de humedad relativa, suponiendo que no haya más evaporación en el aire; es el punto donde se formarían la condensación (rocío) y las nubes.
Para una parcela de aire que está menos que saturada (es decir, aire con menos del 100 por ciento de humedad relativa), la temperatura del bulbo húmedo es más baja que la temperatura del bulbo seco , pero más alta que la temperatura del punto de rocío. Cuanto menor sea la humedad relativa (más seco el aire), mayores serán los espacios entre cada par de estas tres temperaturas. Por el contrario, cuando la humedad relativa sube al 100%, las tres cifras coinciden.
Para aire a una presión y temperatura de bulbo seco conocidas, la temperatura termodinámica de bulbo húmedo corresponde a valores únicos de la humedad relativa y la temperatura del punto de rocío. Por tanto, puede utilizarse para la determinación práctica de estos valores. Las relaciones entre estos valores se ilustran en una tabla psicrométrica .
El enfriamiento del cuerpo humano a través de la transpiración se inhibe a medida que aumenta la humedad relativa del aire circundante en verano. Otros mecanismos pueden funcionar en invierno si hay validez en la noción de "húmedo" o "frío húmedo".
Las temperaturas de bulbo húmedo más bajas que se corresponden con el aire más seco en verano pueden traducirse en ahorros de energía en edificios con aire acondicionado debido a:
La temperatura termodinámica de bulbo húmedo o temperatura de saturación adiabática es la temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriara adiabáticamente hasta la saturación mediante la evaporación del agua en él, y todo el calor latente lo suministra el volumen de aire.
La temperatura de una muestra de aire que ha pasado sobre una gran superficie del agua líquida en un canal aislado se denomina temperatura termodinámica de bulbo húmedo: el aire se satura al pasar por una cámara de saturación adiabática ideal de presión constante.
Los meteorólogos y otros pueden utilizar el término "temperatura isobárica de bulbo húmedo" para referirse a la "temperatura termodinámica de bulbo húmedo". También se denomina "temperatura de saturación adiabática", aunque los meteorólogos también utilizan "temperatura de saturación adiabática" para referirse a "temperatura en el nivel de saturación", es decir, la temperatura que alcanzaría la parcela si se expandiera adiabáticamente hasta saturarse. [4]
La temperatura termodinámica de bulbo húmedo se representa en un gráfico psicrométrico .
La temperatura termodinámica de bulbo húmedo es una propiedad termodinámica de una mezcla de aire y vapor de agua. El valor indicado por un termómetro de bulbo húmedo simple a menudo proporciona una aproximación adecuada de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo.
Para un termómetro de bulbo húmedo preciso, "la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de saturación adiabática son aproximadamente iguales para las mezclas de aire y vapor de agua a temperatura y presión atmosféricas. Esto no es necesariamente cierto a temperaturas y presiones que se desvían significativamente de las condiciones atmosféricas normales. , o para otras mezclas de gases y vapores ". [5]
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La temperatura de bulbo húmedo se mide usando un termómetro que tiene su bulbo envuelto en una tela, llamada calcetín , que se mantiene húmedo con agua destilada mediante la acción de mecha . Tal instrumento se llama termómetro de bulbo húmedo. Un dispositivo ampliamente utilizado para medir la temperatura de bulbo húmedo y seco es un psicrómetro de cabestrillo , que consiste en un par de termómetros de bulbo de mercurio, uno con un "calcetín" húmedo para medir la temperatura de bulbo húmedo y el otro con el bulbo expuesto y seco para la temperatura de bulbo seco. Los termómetros están sujetos a un mango giratorio que les permite girar para que el agua se evapore del calcetín y enfríe el bulbo húmedo hasta que alcance el equilibrio térmico .
Un termómetro de bulbo húmedo real lee una temperatura que es ligeramente diferente de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo, pero su valor es muy similar. Esto se debe a una coincidencia: para un sistema agua-aire, la relación psicrométrica (ver más abajo) resulta ser cercana a 1, aunque para sistemas distintos del aire y el agua pueden no estar cerca.
Para entender por qué esto es así, primero considere el cálculo de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo.
Experimento 1
En este caso, se enfría una corriente de aire insaturado. El calor de enfriar ese aire se usa para evaporar algo de agua, lo que aumenta la humedad del aire. En algún momento, el aire se satura con vapor de agua (y se ha enfriado a la temperatura termodinámica de bulbo húmedo). En este caso podemos escribir el siguiente balance de energía por masa de aire seco:
Experimento 2
Para el caso del termómetro de bulbo húmedo, imagine una gota de agua con aire insaturado que sopla sobre ella. Siempre que la presión de vapor del agua en la gota (función de su temperatura) sea mayor que la presión parcial del vapor de agua en la corriente de aire, se producirá la evaporación. Inicialmente, el calor requerido para la evaporación provendrá de la gota misma, ya que es más probable que las moléculas de agua que se muevan más rápido escapen de la superficie de la gota, por lo que las moléculas de agua restantes tendrán una velocidad promedio más baja y, por lo tanto, una temperatura más baja. Si esto fuera lo único que sucediera y el aire comenzara a secarse por completo, si el aire soplara lo suficientemente rápido, su presión parcial de vapor de agua permanecería constantemente en cero y la gota se volvería infinitamente fría. [ cita requerida ]
En cambio, cuando la gota comienza a enfriarse, ahora hace más frío que el aire, por lo que la transferencia de calor por convección comienza a ocurrir desde el aire a la gota. Además, la tasa de evaporación depende de la diferencia de concentración de vapor de agua entre la interfaz gota-corriente y la corriente distante (es decir, la corriente "original", no afectada por la gota) y de un coeficiente de transferencia de masa convectiva ' que es una función de los componentes de la mezcla (es decir, agua y aire).
Después de un cierto período, se alcanza un equilibrio: la gota se ha enfriado hasta un punto en el que la tasa de calor arrastrado en la evaporación es igual a la ganancia de calor por convección. En este punto, el siguiente balance de energía por área de interfaz es verdadero:
Tenga en cuenta que:
Reorganicemos esa ecuación en:
Ahora volvamos a nuestro experimento original de "bulbo húmedo termodinámico", Experimento 1. Si la corriente de aire es la misma en ambos experimentos (es decir, y son iguales), entonces podemos igualar los lados derechos de ambas ecuaciones:
Reorganizando un poco:
Ahora está claro que si entonces la temperatura de la caída en el Experimento 2 es la misma que la temperatura de bulbo húmedo en el Experimento 1. Debido a una coincidencia, para la mezcla de aire y vapor de agua este es el caso, la relación (llamada razón psicrométrica ) cercana a 1. [6]
El experimento 2 es lo que sucede en un termómetro de bulbo húmedo común. Es por eso que su lectura está bastante cerca de la temperatura termodinámica ("real") de bulbo húmedo.
Experimentalmente, el termómetro de bulbo húmedo da una lectura más cercana a la temperatura termodinámica de bulbo húmedo si:
En la práctica, el valor informado por un termómetro de bulbo húmedo difiere ligeramente de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo porque:
A humedades relativas por debajo del 100 por ciento, el agua se evapora del bulbo, lo que enfría el bulbo por debajo de la temperatura ambiente. Para determinar la humedad relativa, la temperatura ambiente se mide utilizando un termómetro ordinario, más conocido en este contexto como termómetro de bulbo seco . A cualquier temperatura ambiente dada, una menor humedad relativa da como resultado una mayor diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo; el bulbo húmedo es más frío. La humedad relativa precisa se determina leyendo un gráfico psicrométrico de temperaturas de bulbo húmedo frente a bulbo seco, o mediante cálculo.
Los psicrómetros son instrumentos con termómetros de bulbo húmedo y de bulbo seco.
Un termómetro de bulbo húmedo también se puede usar al aire libre a la luz del sol en combinación con un termómetro de globo (que mide la temperatura radiante incidente ) para calcular la temperatura del globo de bulbo húmedo (WBGT).
La temperatura adiabática de bulbo húmedo es la temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriara adiabáticamente hasta la saturación y luego se comprimiera adiabáticamente a la presión original en un proceso húmedo-adiabático [ aclaración necesaria ] (Glosario AMS [ aclaración necesaria ] ). Tal enfriamiento puede ocurrir cuando la presión del aire se reduce con la altitud, [ aclaración necesaria ] como se indica en el artículo sobre el nivel de condensación elevado .
Este término, como se define en este artículo, puede ser [ vago ] más frecuente en meteorología.
Dado que el valor denominado "temperatura termodinámica de bulbo húmedo" también se logra mediante un proceso adiabático, algunos ingenieros y otros pueden utilizar [ vago ] el término "temperatura adiabática de bulbo húmedo" para referirse a la "temperatura termodinámica de bulbo húmedo". . Como se mencionó anteriormente, los meteorólogos y otros pueden usar [ vago ] el término "temperatura isobárica de bulbo húmedo" para referirse a la "temperatura termodinámica de bulbo húmedo".
"La relación entre los procesos isobárico y adiabático es bastante oscura. Sin embargo, las comparaciones indican que las dos temperaturas rara vez difieren en más de unas pocas décimas de grado Celsius, y la versión adiabática es siempre la más pequeña de las dos para el aire insaturado. . Dado que la diferencia es tan pequeña, generalmente se descuida en la práctica ". [7]
La depresión del bulbo húmedo es la diferencia entre la temperatura del bulbo seco y la temperatura del bulbo húmedo. Si hay 100% de humedad, las temperaturas de bulbo seco y húmedo son idénticas, lo que hace que la depresión del bulbo húmedo sea igual a cero en tales condiciones. [8]
Los organismos vivos solo pueden sobrevivir dentro de un cierto rango de temperatura. Cuando la temperatura ambiente es excesiva, muchos animales se enfrían por debajo de la temperatura ambiente mediante enfriamiento por evaporación (sudor en humanos y caballos, saliva y agua en perros y otros mamíferos); esto ayuda a prevenir la hipertermia potencialmente fatal debido al estrés por calor. La efectividad del enfriamiento evaporativo depende de la humedad; temperatura de bulbo húmedo, o cantidades calculadas más complejas como la temperatura del globo de bulbo húmedo (WBGT) que también tiene en cuenta la radiación solar , dan una indicación útil del grado de estrés por calor y son utilizadas por varias agencias como base para el calor pautas de prevención del estrés.
Una temperatura sostenida de bulbo húmedo superior a 35 ° C (95 ° F) es probable que sea fatal incluso para personas sanas y en forma, desnudas a la sombra junto a un ventilador; a esta temperatura, los cuerpos humanos pasan de arrojar calor al medio ambiente a obtener calor de él. [9] En la práctica, estas condiciones ideales para que los humanos se refresquen no siempre existirán, de ahí los altos niveles de mortalidad en las olas de calor europeas de 2003 y rusas de 2010 , que vieron temperaturas de bulbo húmedo no superiores a 28 ° C. [10]
Un estudio de 2015 concluyó que, dependiendo de la magnitud del calentamiento global futuro , partes del mundo podrían volverse inhabitables debido a las letales temperaturas de bulbo húmedo. [11] Un estudio de 2020 informó casos en los que ya se había producido una temperatura de bulbo húmedo de 35 ° C (95 ° F), aunque demasiado brevemente y en una localidad demasiado pequeña para causar muertes. [10]
En 2018, Carolina del Sur implementó nuevas regulaciones para proteger a los estudiantes de secundaria de las emergencias relacionadas con el calor durante las actividades al aire libre. Existen pautas y restricciones específicas para las temperaturas del globo de bulbo húmedo entre 82.0 ° F (27.8 ° C) y 92.0 ° F (33.3 ° C); Las temperaturas del globo de bulbo húmedo de 92,1 ° F (33,4 ° C) o más requieren que se cancelen todas las actividades al aire libre. [12] [13]
Esta sección necesita citas adicionales para su verificación . ( Julio de 2021 ) |
Las siguientes ubicaciones han registrado temperaturas de bulbo húmedo de 34 ° C (93 ° F) o más. Las estaciones meteorológicas suelen estar en los aeropuertos, por lo que otras ubicaciones de la ciudad pueden haber experimentado valores más altos. [19]
PESO (° C) | Ciudad y estado | País |
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36,3 | Ciudad de Ras Al Khaimah | Emiratos Árabes Unidos |
36,2 | Jacobabad , Sindh | Pakistán |
36 | la meca | Arabia Saudita |
35,8 | Hisar, Haryana | India |
35,6 | Yannarie, Australia Occidental | Australia |
35,4 | Villahermosa , Tabasco | México |
35,1 | [ubicación sin nombre], Khyber Pakhtunkhwa | Pakistán |
35 | Maracaibo | Venezuela |
35 | Matlapa , San Luis Potosí | México |
35 | Choix, Sinaloa | México |
34,8 | La Paz, Baja California Sur | México |
34,8 | Soto la Marina, Tamaulipas | México |
34,7 | Medina | Arabia Saudita |
34,7 | Bandar Abbas | Iran |
34,6 | Machilipatnam mandal , Andhra Pradesh | India |
34,5 | Sahadevkhunta , Balasore , Odisha | India |
34,4 | Bamako | Mali |
34,4 | Chicxulub, Yucatán | México |
34,1 | Rangún | Birmania |
34 | Ajnala, Punjab | India |
34 | Port Hedland, Australia Occidental | Australia |
34 | Empalme, Sonora | México |
34 | Tuxpan, Veracruz | México |
34 | Departamento de Paysandú | Uruguay |
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Los resultados del estudio indican que limitar el calentamiento global a 1,5 ° C evitaría que la mayoría de los trópicos alcancen la temperatura de bulbo húmedo del límite fisiológico humano de 35 ° C. [20] [21]