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Questions and Answers
¿Por qué se considera que la atmósfera es un sistema abierto?
¿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?
¿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?
¿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?
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¿Qué tipo de intercambios realiza la atmósfera con su entorno?
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¿Cómo se puede describir la variación plurianual de la masa y energía de la atmósfera?
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¿Cuál es la fórmula para calcular la densidad del aire húmedo?
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¿Cuál es la definición de un proceso adiabático en el contexto de la atmósfera?
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¿Qué suposiciones se consideran en la teoría de la parcela de aire?
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¿Cuál es la fórmula para calcular el índice de enfriamiento adiabático del aire seco?
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¿Qué sucede con la temperatura del aire húmedo al elevarse?
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¿Cuál es el gradiente térmico atmosférico para la troposfera (0-12 km)?
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¿Cuál es la fórmula alternativa del Primer Principio aplicada a un proceso adiabático?
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¿Qué sucede con la densidad de la parcela de aire después de un ligero ascenso?
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¿Cuál es el ritmo de variación de la temperatura durante el ascenso?
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¿Qué sucede con el aire parcela al ser elevado en altitud?
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¿Cuál es la ecuación del proceso adiabático para un gas ideal?
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¿Qué sucede con una masa de aire que asciende en la atmósfera?
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¿Cuál es la ecuación de estado del aire seco?
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¿Qué es la humedad absoluta o densidad del vapor?
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¿Qué es la constante específica del vapor de agua?
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¿Qué es la temperatura virtual del aire húmedo?
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¿Cómo se define la humedad relativa del aire?
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¿Cuál es la ecuación de Clausius-Clapeyron que relaciona la presión parcial saturante del vapor de agua con la temperatura?
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¿Cuál es la fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura?
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¿Qué es la relación entre la temperatura real del aire húmedo y su temperatura virtual?
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¿Cuál es la ecuación de estado del aire húmedo?
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¿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?
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¿Cómo se define la humedad específica?
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¿Cuál es la relación entre la constante específica del vapor de agua y la constante específica del aire seco?
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¿Qué tipo de sistema es la atmósfera y por qué?
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¿Qué papel juega el ciclo del agua en los intercambios de masa y energía con el entorno?
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¿Cuáles son los gases principales que constituyen cerca del 99% del volumen del aire seco?
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¿Cuál es el estado de la atmósfera considerando periodos de varios años?
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¿Qué sucede con una masa de aire que asciende en la atmósfera?
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¿Qué es el aire seco y cuál es su composición principal?
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¿Cuál es la ecuación para calcular la densidad del aire húmedo?
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¿Cuál es la fórmula para calcular la humedad absoluta o densidad del vapor?
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¿Cómo se define la humedad relativa del aire?
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¿Cuál es la fórmula para calcular la humedad específica?
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¿Cuál es la ecuación de estado del aire húmedo?
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¿Cuál es la relación entre la temperatura real del aire húmedo y su temperatura virtual?
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¿Cuál es la ecuación del proceso adiabático para un gas ideal?
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¿Cómo se puede describir la variación plurianual de la masa y energía de la atmósfera?
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¿Cuál es el ritmo de variación de la temperatura durante el ascenso?
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¿Por qué se dice que la atmósfera está en estado casi-estacionario?
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¿Cuál es la fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura?
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¿Cuál es la fórmula para calcular el índice de enfriamiento adiabático del aire seco?
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¿Cuál es la relación entre la presión parcial y el volumen parcial de cada gas en la mezcla?
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¿Cuál es la ecuación de estado del aire seco?
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¿Cuál es la relación entre la constante de los gases ideales y la constante específica del gas i?
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¿Qué fórmula relaciona la presión parcial del vapor de agua con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo?
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¿Cuál es la fórmula que define la densidad del aire húmedo?
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¿Cuál es la expresión para la presión parcial saturante E del vapor de agua en función de la temperatura T?
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¿Cuál es la fórmula de Magnus para calcular la presión parcial del vapor de agua en función de la temperatura?
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¿Cuál es la relación entre la temperatura real del aire húmedo y su temperatura virtual?
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¿Cuál es la ecuación de estado del aire húmedo?
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¿Cuál es la fórmula para calcular la humedad específica?
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¿Qué fórmula define la temperatura virtual del aire húmedo?
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¿Cómo se define la humedad relativa del aire?
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¿Qué fórmula relaciona la presión parcial del vapor de agua con el coeficiente de mezcla del vapor y la presión total del aire húmedo?
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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.
-
Fórmula: El índice de enfriamiento adiabático del aire seco (Γd) se calcula con la siguiente fórmula:
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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Description
Este cuestionario aborda el tema de la atmósfera como un sistema termodinámico abierto, que intercambia energía y masa con su entorno. También explora el concepto de casi-estacionario en relación con la atmósfera a lo largo de periodos de varios años.