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 ). www.sap.uchile.cl