TERMODINAMICA

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 / (R_d * T_v))
  • Donde:
    • P es la presión atmosférica
    • R_d es la constante específica del aire seco
    • T_v 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 (Γ_d) se calcula con la siguiente fórmula:
    • Γ_d = g / c_p
    • Donde:
      • g es la aceleración de la gravedad
      • c_p 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 = c_vdT + P dV
  • Donde:
    • dQ es el calor transferido
    • dU es el cambio de la energía interna
    • dW es el trabajo realizado por el sistema
    • c_v 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 * R_d* T
  • Donde:
    • P es la presión atmosférica
    • ρ es la densidad del aire seco
    • R_d 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 / (R_d * T_v))
• Enfriamiento adiabático del aire seco: Γ_d = g / c_p
• Ecuación del proceso adiabático: P₂/P₁ = (T₂/T₁)^γ
• Ecuación de estado del aire seco: P = ρ * R_d* 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 * R_d) / (R_v * (1 - w))
• Temperatura virtual: T_v = T * (1 + 0.61 * w )
• Humedad relativa: RH = (e / E) * 100%