TERMODINAMICA

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Questions and Answers

¿Por qué se considera que la atmósfera es un sistema abierto?

La atmósfera es un sistema abierto porque intercambia energía y masa con su entorno.

¿Por qué se dice que la atmósfera está en estado casi-estacionario?

La atmósfera está en estado casi-estacionario porque las variaciones plurianuales de su masa y energía son muy pequeñas.

¿Cuál es el papel del ciclo del agua en los intercambios de masa y energía con el entorno?

El ciclo del agua transfiere calor desde la superficie a la atmósfera y de un lugar a otro del planeta.

¿Qué es el aire seco y cuál es su composición principal?

<p>El aire seco es la mezcla de gases atmosféricos excluyendo el vapor de agua. Sus principales constituyentes son N2 y O2, que constituyen cerca del 99% del volumen del aire seco.</p> Signup and view all the answers

¿Qué tipo de intercambios realiza la atmósfera con su entorno?

<p>La atmósfera realiza intercambios de energía y masa con su entorno.</p> Signup and view all the answers

¿Cómo se puede describir la variación plurianual de la masa y energía de la atmósfera?

<p>La variación plurianual de la masa y energía de la atmósfera es muy pequeña.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula para calcular la densidad del aire húmedo?

<p>Densidad del aire húmedo = Densidad del aire seco + Densidad del vapor de agua</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la definición de un proceso adiabático en el contexto de la atmósfera?

<p>Un proceso adiabático es aquel en el que la masa de aire ascendente apenas intercambia calor con el aire exterior.</p> Signup and view all the answers

¿Qué suposiciones se consideran en la teoría de la parcela de aire?

<ol> <li>La masa de aire ascendente apenas intercambia calor con el aire exterior. 2. El aire de la parcela iguala su presión con la del aire que la rodea a medida que sube o baja. 3. Si la densidad de la parcela es menor que la del entorno después de un ascenso, estará sometida a una fuerza ascensional.</li> </ol> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula para calcular el índice de enfriamiento adiabático del aire seco?

<p>Γs = (g/cp)</p> Signup and view all the answers

¿Qué sucede con la temperatura del aire húmedo al elevarse?

<p>La temperatura del aire húmedo disminuye con la altura al elevarse, con un gradiente muy parecido al del adiabático seco hasta que el vapor de agua se satura.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el gradiente térmico atmosférico para la troposfera (0-12 km)?

<p>El gradiente térmico atmosférico para la troposfera (0-12 km) es aproximadamente -6.5°C/km.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula alternativa del Primer Principio aplicada a un proceso adiabático?

<p>La formulación alternativa del Primer Principio aplicada a un proceso adiabático es Q = cp * ΔT</p> Signup and view all the answers

¿Qué sucede con la densidad de la parcela de aire después de un ligero ascenso?

<p>Si después de un ligero ascenso, la densidad de la parcela es menor que la del entorno, estará sometida a una fuerza ascensional y será acelerada hacia arriba; en caso contrario, bajará.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el ritmo de variación de la temperatura durante el ascenso?

<p>El ritmo de variación de la temperatura durante el ascenso se denomina índice de enfriamiento adiabático Γ.</p> Signup and view all the answers

¿Qué sucede con el aire parcela al ser elevado en altitud?

<p>A medida que el aire parcela es elevado en altitud, la presión del aire disminuye, la parcela se expande y se enfría adiabáticamente.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación del proceso adiabático para un gas ideal?

<p>P * V^Γ = constante</p> Signup and view all the answers

¿Qué sucede con una masa de aire que asciende en la atmósfera?

<p>Cuando una masa de aire asciende, experimenta un proceso termodinámico en el que sus variables de estado P, V y T varían.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación de estado del aire seco?

<p>PV = mRT</p> Signup and view all the answers

¿Qué es la humedad absoluta o densidad del vapor?

<p>Es la masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire</p> Signup and view all the answers

¿Qué es la constante específica del vapor de agua?

<p>461.52 J/Kg K</p> Signup and view all the answers

¿Qué es la temperatura virtual del aire húmedo?

<p>Es la temperatura que tendría el aire seco para tener la misma densidad que el aire húmedo</p> Signup and view all the answers

¿Cómo se define la humedad relativa del aire?

<p>Se define como el cociente entre la presión parcial del vapor de agua y la presión de vapor saturante a una temperatura dada</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación de Clausius-Clapeyron que relaciona la presión parcial saturante del vapor de agua con la temperatura?

<p>E = L / Rv * (1 / T - 1 / T0)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura?

<p>e = 6.1094 * exp(17.625 * t / (t + 243.04))</p> Signup and view all the answers

¿Qué es la relación entre la temperatura real del aire húmedo y su temperatura virtual?

<p>T = Tv / (1 + 0.61 * q)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación de estado del aire húmedo?

<p>P = (Rd + Rv) * ρ * T</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula que relaciona la presión parcial del vapor de agua con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo?

<p>e = P * w / (0.622 + w)</p> Signup and view all the answers

¿Cómo se define la humedad específica?

<p>Es la razón entre la masa de vapor de agua y la masa de aire seco</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la relación entre la constante específica del vapor de agua y la constante específica del aire seco?

<p>Rv = 0.622 * Rd</p> Signup and view all the answers

¿Qué tipo de sistema es la atmósfera y por qué?

<p>La atmósfera es un sistema abierto porque intercambia energía y masa con su entorno.</p> Signup and view all the answers

¿Qué papel juega el ciclo del agua en los intercambios de masa y energía con el entorno?

<p>El ciclo del agua transfiere calor desde la superficie a la atmósfera y de un lugar a otro del planeta.</p> Signup and view all the answers

¿Cuáles son los gases principales que constituyen cerca del 99% del volumen del aire seco?

<p>Nitrógeno (N2) y Oxígeno (O2).</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el estado de la atmósfera considerando periodos de varios años?

<p>La atmósfera está en estado casi-estacionario, con variaciones plurianuales muy pequeñas.</p> Signup and view all the answers

¿Qué sucede con una masa de aire que asciende en la atmósfera?

<p>Al ascender, una masa de aire se enfría adiabáticamente.</p> Signup and view all the answers

¿Qué es el aire seco y cuál es su composición principal?

<p>El aire seco es la mezcla de gases atmosféricos excluyendo el vapor de agua, y su composición principal es nitrógeno (N2) y oxígeno (O2).</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación para calcular la densidad del aire húmedo?

<p>La ecuación para calcular la densidad del aire húmedo es: $\rho = \frac{P}{R_dT} - \frac{e}{R_vT}$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula para calcular la humedad absoluta o densidad del vapor?

<p>La fórmula para calcular la humedad absoluta es: $\rho_v = \frac{e}{RT}$</p> Signup and view all the answers

¿Cómo se define la humedad relativa del aire?

<p>La humedad relativa del aire se define como la relación entre la presión parcial del vapor de agua y la presión parcial de saturación a esa temperatura, expresada en porcentaje.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula para calcular la humedad específica?

<p>La fórmula para calcular la humedad específica es: $h = \frac{\rho_v}{\rho_a}$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación de estado del aire húmedo?

<p>La ecuación de estado del aire húmedo es: $P = \rho RT = \rho R_dT + \rho_v R_vT$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la relación entre la temperatura real del aire húmedo y su temperatura virtual?

<p>La relación entre la temperatura real del aire húmedo ($T$) y su temperatura virtual ($T_v$) es: $\frac{T}{T_v} = 1 + 0.61 \frac{\rho_v}{\rho_a}$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación del proceso adiabático para un gas ideal?

<p>La ecuación del proceso adiabático para un gas ideal es: $P\cdot V^\gamma = constante$</p> Signup and view all the answers

¿Cómo se puede describir la variación plurianual de la masa y energía de la atmósfera?

<p>La variación plurianual de la masa y energía de la atmósfera se puede describir mediante el balance entre entradas y salidas de masa y energía, tales como la radiación solar, la radiación terrestre, el calor latente y el calor sensible.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el ritmo de variación de la temperatura durante el ascenso?

<p>El ritmo de variación de la temperatura durante el ascenso se denomina índice de enfriamiento adiabático ($\Gamma$) y es de aproximadamente 1°C por cada 100 metros de ascenso para el aire seco.</p> Signup and view all the answers

¿Por qué se dice que la atmósfera está en estado casi-estacionario?

<p>Se dice que la atmósfera está en estado casi-estacionario debido a que las variaciones en la masa y energía de la atmósfera a corto plazo son pequeñas en comparación con las cantidades totales.</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura?

<p>La fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura es: $e = 6.11 \times 10^{(7.5T)/(T+237.3)}$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula para calcular el índice de enfriamiento adiabático del aire seco?

<p>La fórmula para calcular el índice de enfriamiento adiabático del aire seco es: $\Gamma_s = \frac{g}{C_p}$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la relación entre la presión parcial y el volumen parcial de cada gas en la mezcla?

<p>Se verifica según la ley de Dalton: $P_iV_i = n_iRT$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación de estado del aire seco?

<p>La ecuación de estado del aire seco es: $PV = mRT$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la relación entre la constante de los gases ideales y la constante específica del gas i?

<p>La relación entre la constante de los gases ideales y la constante específica del gas i es: $R = R_s/M_i$</p> Signup and view all the answers

¿Qué fórmula relaciona la presión parcial del vapor de agua con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo?

<p>La fórmula que relaciona la presión parcial del vapor de agua con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo es: $e = fwP$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula que define la densidad del aire húmedo?

<p>La fórmula que define la densidad del aire húmedo es: $ρ = P / (RTv)$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la expresión para la presión parcial saturante E del vapor de agua en función de la temperatura T?

<p>La expresión para la presión parcial saturante E del vapor de agua en función de la temperatura T es dada por la ecuación de Clausius-Clapeyron: $E = E_0 e^{L/RT}$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura?

<p>La fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura es: $e = 6.1094 e^{rac{17.625T}{T+243.04}}$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la relación entre la temperatura real del aire húmedo y su temperatura virtual?

<p>La relación entre la temperatura real del aire húmedo y su temperatura virtual es: $Tv = T(1 + 0.61w)$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la ecuación de estado del aire húmedo?

<p>La ecuación de estado del aire húmedo es: $P = ρRT$</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la fórmula para calcular la humedad específica?

<p>La fórmula para calcular la humedad específica es: $w = rac{m_v}{m_a}$</p> Signup and view all the answers

¿Qué fórmula define la temperatura virtual del aire húmedo?

<p>La fórmula que define la temperatura virtual del aire húmedo es: $Tv = T(1 + 0.61q)$</p> Signup and view all the answers

¿Cómo se define la humedad relativa del aire?

<p>La humedad relativa del aire se define como: $h = rac{e}{E} imes 100 ext{%}$</p> Signup and view all the answers

¿Qué fórmula relaciona la presión parcial del vapor de agua con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo?

<p>La fórmula que relaciona la presión parcial del vapor de agua con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo es: $e = fwP$</p> Signup and view all the answers

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Study Notes

La Atmósfera como Sistema Abierto

  • Sistema abierto: La atmósfera intercambia masa y energía con su entorno.
  • Estado casi-estacionario: La atmósfera se considera en un estado casi-estacionario a largo plazo, esto significa que sus propiedades físicas y químicas se mantienen relativamente constantes a pesar de las fluctuaciones a corto plazo.
  • Ciclo del agua: El ciclo del agua juega un papel fundamental en los intercambios de masa y energía entre la atmósfera y el entorno. El agua se evapora de la superficie, se condensa en las nubes y precipita de nuevo a la tierra, transportando calor y humedad.

Composición y Propiedades del Aire

  • Aire seco: Se compone principalmente de nitrógeno (78%) y oxígeno (21%).
  • Intercambios: La atmósfera intercambia calor, humedad, momento (viento) y sustancias químicas con su entorno.
  • Variación plurianual: La masa y energía de la atmósfera presentan variaciones a largo plazo, influenciadas por factores como la radiación solar, los volcanes y las actividades humanas.

Densidad del Aire Húmedo

  • Fórmula: La densidad del aire húmedo (ρ) se calcula con la siguiente fórmula:
    • ρ = (P / (Rd * Tv))
    • Donde:
      • P es la presión atmosférica
      • Rd es la constante específica del aire seco
      • Tv es la temperatura virtual

Procesos Adiabáticos en la Atmósfera

  • Proceso adiabático: Un proceso adiabático ocurre sin intercambio de calor con el entorno.
  • Teoría de la parcela de aire: Esta teoría asume que una parcela de aire se eleva o desciende sin intercambio de calor significativo con el entorno.
  • Enfriamiento adiabático del aire seco: La temperatura del aire seco disminuye a medida que asciende a una tasa aproximada de 1°C por cada 100 metros de ascenso.
    • Fórmula: El índice de enfriamiento adiabático del aire seco (Γd) se calcula con la siguiente fórmula:
      • Γd = g / cp
      • Donde:
        • g es la aceleración de la gravedad
        • cp es el calor específico a presión constante del aire seco.

Temperatura del Aire Húmedo durante el Ascenso

  • Ascenso del aire húmedo: La temperatura del aire húmedo disminuye a medida que asciende, pero a un ritmo menor que el aire seco debido al calor liberado durante la condensación del vapor de agua.
  • Gradiente térmico atmosférico: La temperatura de la troposfera (0-12 km) disminuye aproximadamente 6.5°C por cada 1000 metros de altitud.

Primer Principio de la Termodinámica en Procesos Adiabáticos

  • Fórmula: Para un proceso adiabático, el primer principio de la termodinámica se puede expresar como:
    • dQ = 0 = dU + dW = cvdT + P dV
    • Donde:
      • dQ es el calor transferido
      • dU es el cambio de la energía interna
      • dW es el trabajo realizado por el sistema
      • cv es el calor específico a volumen constante
      • dT es el cambio de temperatura
      • P es la presión
      • dV es el cambio de volumen

Densidad y Temperatura de la Parcela de Aire Ascendente

  • Ascenso de la parcela: Al ascender, la densidad de la parcela de aire disminuye debido a la disminución de la presión.
  • Ritmo de variación de la temperatura: La tasa de variación de la temperatura del aire durante el ascenso se conoce como el índice de enfriamiento adiabático.

Aire Parcela en Altitud

  • Ascenso: Al elevarse en altitud, una masa de aire tiene menos moléculas de aire por unidad de volumen.
  • Fórmula: La ecuación del proceso adiabático para un gas ideal se expresa como:
    • P2/P1 = (T2/T1)γ
    • Donde:
      • P es la presión
      • T es la temperatura
      • γ es el índice adiabático

Masa de Aire Ascendente en la Atmósfera

  • Ascenso: Al ascender en la atmósfera, una masa de aire se enfría debido a la expansión adiabática.
  • Condensación: Si el aire se enfría por debajo del punto de rocío, se produce condensación y se forman nubes.
  • Precipitación: Si las gotas de agua se condensan en la atmósfera, pueden precipitarse en forma de lluvia.

Ecuación de Estado del Aire Seco

  • Fórmula: La ecuación de estado del aire seco se expresa como:
    • P = ρ * Rd* T
    • Donde:
      • P es la presión atmosférica
      • ρ es la densidad del aire seco
      • Rd es la constante específica del aire seco
      • T es la temperatura

Humedad Atmosférica

  • Humedad absoluta: Es la masa de vapor de agua presente en una unidad de volumen de aire, también conocida como densidad del vapor.
  • Constante específica del vapor de agua: Es la razón entre la constante de los gases ideales y la masa molar del vapor de agua.
  • Temperatura virtual: La temperatura virtual es la temperatura que tendría una masa de aire seco si tuviera la misma presión y densidad que el aire húmedo. La temperatura virtual siempre es mayor que la temperatura real del aire húmedo.
  • Humedad relativa: Es la relación entre la presión parcial del vapor de agua presente en el aire y la presión parcial del vapor de agua que satura el aire a la misma temperatura.
  • Ecuación de Clausius-Clapeyron: Esta ecuación relaciona la presión parcial saturante del vapor de agua con la temperatura.
  • Fórmula de Magnus: La presión parcial del vapor de agua se puede calcular en función de la temperatura con la fórmula de Magnus.
  • Relación entre la temperatura real y virtual: La temperatura virtual es ligeramente mayor que la temperatura real del aire húmedo, debido a la presencia de vapor de agua.
  • Ecuación de estado del aire húmedo: Similar a la del aire seco, pero con un factor de corrección por la humedad.
  • Presión parcial del vapor de agua y coeficiente de mezcla: La presión parcial del vapor de agua está relacionada con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo.
  • Humedad específica: Es la razón entre la masa de vapor de agua y la masa total del aire húmedo.

La Atmósfera y el Ciclo del Agua

  • Sistema abierto: La atmósfera, al intercambiar masa y energía con su entorno, se considera un sistema abierto, principalmente debido al ciclo del agua.
  • Ciclo del agua: El ciclo hidrológico juega un papel crucial en la regulación del clima y la distribución de energía en la Tierra.
  • Gases principales del aire seco: La mayoría del aire seco se compone de nitrógeno (78%) y oxígeno (21%), con otros gases presentes en pequeñas cantidades.

Estado de la Atmósfera

  • Estado casi-estacionario: La atmósfera permanece en un estado casi-estacionario durante largos periodos de tiempo, con fluctuaciones a corto plazo.
  • Dinámica atmosférica: La dinámica atmosférica se basa en el intercambio de calor, masa y momento entre la atmósfera y el entorno.
  • Masa de aire ascendente: El enfriamiento adiabático y la condensación del vapor de agua son importantes en la dinámica de la atmósfera.

Resumen de Fórmulas Claves

  • Densidad del aire húmedo: ρ = (P / (Rd * Tv))
  • Enfriamiento adiabático del aire seco: Γd = g / cp
  • Ecuación del proceso adiabático: P2/P1 = (T2/T1)γ
  • Ecuación de estado del aire seco: P = ρ * Rd* T
  • Fórmula de Magnus: E = 6.11 * exp(17.27 * T / (T + 237.3))
  • Presión parcial del vapor de agua: e = w * P
  • Humedad específica: q = (w * Rd) / (Rv * (1 - w))
  • Temperatura virtual: Tv = T * (1 + 0.61 * w )
  • Humedad relativa: RH = (e / E) * 100%

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