Se desarrollan las definiciones claves en el tema de las mezclas gas vapor, importantes en operaciones unitarias como evaporación, condensación y secado. Así mismo, se explican los conceptos de humedad, saturación, entre otros y se muestran las líneas más importantes de una carta psicrométrica convencional para uso a presión atmosférica estándar.

1. GUÍA 4 DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral
Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA
F.U.A. 2014
MEZCLAS GAS VAPOR Y PSICROMETRÍA
En algunas operaciones unitarias (donde no hay
cambios en la naturaleza química de las sustancias
involucradas) se trabaja con mezclas de gases y
vapores. Recordando que el gas (no condensable),
es el que está más alejado de la fase líquida
mientras que el vapor (condensable) se puede
considerar como un gas cerca de la fase líquida,
debido a su relativa baja temperatura, cercana a la
del punto de ebullición del líquido coexistente. La
mezcla gas – vapor más importante es la mezcla
aire – agua. No solo se usa o aparece en ingeniería,
en operaciones de secado, sino también es algo con
lo que se convive a diario. Ejemplos de estas
situaciones cotidianas: cuando se empañan los
vidrios de los autos o los espejos en los baños al
ducharse con agua caliente; el rocío de la mañana;
el vaho que se forma cuando uno respira en
mañanas muy frías, etc.
1. TÉRMINOS IMPORTANTES EN MEZCLAS
GAS – VAPOR:
1.1.Vaporización: Paso de fase líquida a fase vapor
de una sustancia pura. Se da a la temperatura
de ebullición que corresponda con la presión
total, si bien se conoce por tablas a 1 atm, pero
se puede calcular a diferentes presiones.
Recordar que a mayor presión, el punto de
ebullición aumenta, porque se le hace más difícil
a las moléculas del líquido vencer esa presión y
pasar al estado gaseoso.
1.2.Condensación: Es el proceso inverso a la
vaporización. Se da por dos maneras, o por
disminución de la temperatura de un vapor
manteniendo la presión constante; o por
aumento de la presión a la misma temperatura.
1.3.Presión de saturación: cuando un líquido
alcanza la energía suficiente para pasar al
estado gaseoso, para formarse vapor, tan
pronto empieza ese cambio, se dice que la
presión que tiene el líquido es la presión de
saturación, si se mantiene constante la
temperatura.
1.4.Temperatura de saturación, o punto de
ebullición: cuando la presión del líquido
alcanza el valor de la presión total por encima
de su superficie, se dice que alcanza la
temperatura de ebullición o temperatura de
saturación a esa presión total.
1.5.Ecuación de Antoine
Es una expresión matemática que relaciona la
temperatura con la presión de saturación del
vapor de sustancias puras (no para mezclas) y
viceversa. Se deduce de la Ecuación de
Clausius – Clapeyron para el cambio de líquido
a vapor. Su formulación explicita para la presión
es:
log10 𝑝 = 𝐴 −
𝐵
𝑇 + 𝐶
Donde las constantes A, B y C, se encuentran
tabuladas en muchas referencias para distintas
sustancias. Si se despeja la temperatura, la
expresión quedaría así:
T =
𝐵
𝐴 − log10 𝑝
− 𝐶
2. SATURACION
En una mezcla gas-vapor cuando la presión parcial
del vapor alcanza el valor de la presión de vapor a la
misma temperatura y presión se dice que el gas
está saturado.
2.1.Saturacion relativa
Es la relación entre la presión parcial del vapor y la
presión de vapor del líquido a la misma temperatura
a que se encuentra. Se expresa en porcentaje y se
representa por (SR).
𝑆 𝑅 =
𝑝𝑖
𝑝𝑖
∗ ∗ 100%
Donde 𝑝𝑖 es la presión parcial del vapor. Y 𝑝𝑖
∗
es la
presión de saturación del líquido que se calcula con
la ecuación de Antoine a la temperatura de la
mezcla.
2.2.Saturación porcentual
Relación en porcentaje entre el número de moles
que hay por unidad molar de gas exento de vapor y
el número de moles de vapor que habría por unidad
molar de gas exento de vapor si la mezcla estuviera
saturada.
𝑆 𝑃 =
𝑛𝑖
𝑛∗
∗ 100%
ni = moles de vapor por mol de gas exento de vapor
realmente presente.
n* = moles de vapor por mol de gas exento de vapor
en la mezcla saturada.
Sin embargo, se usa otra ecuación mejor:
𝑺 𝑷 = 𝑺 𝑹 ∗ [
𝑷 − 𝒑𝒊
∗
𝑷 − 𝒑𝒊
]
3. MEZCLAS AIRE – AGUA
3.1.Humedad
Es la medida de la concentración de vapor de agua
en el aire húmedo. Recordando que el “aire
húmedo” es la mezcla de aire seco más vapor de
agua. El aire seco es el no condensable y el vapor
de agua es el condensable.
3.2.Humedad absoluta
Se expresa como (Y), masa de vapor de agua por
unidad de masa de aire seco. Cuando la relación es
moles de vapor de agua por mol de aire seco se
denomina humedad molar y se representa por
(Ym).
 Humedad molar: 𝑦 𝑚 =
𝑝 𝐻20
𝑝 𝐴.𝑆.
⁄ =
𝑛 𝐻2𝑂
𝑛 𝐴.𝑆.
O también se puede calcular como:𝑌 𝑚 =
𝑝 𝐻2𝑂
𝑃 𝑇−𝑝 𝐻2𝑂
 Humedad absoluta (másica):
𝑦𝑎 = 𝑦 𝑚 ∗
𝑀 𝐻2𝑂
𝑀𝐴.𝑆.
Donde las masas moleculares son: 18 g/mol para el
agua y 28,84 para el aire seco (considerando el aire
seco compuesto por 21% molar de O2 y 79% molar
de N2). De esta manera:
𝑦𝑎 = 0,624 𝑦 𝑚

2. 3.3.Humedad relativa
Es lo mismo que la saturación relativa, solo que
ahora aplicada al caso específico de mezclas aire –
agua.
𝑦 𝑅 =
𝑝 𝐻2𝑂
𝑝 𝐻2𝑂
∗ ∗ 100%
3.4.Porcentaje de humedad
Lo mismo que para el caso de saturación relativa.
Aquí es una saturación porcentual aplicada al caso
aire – agua:
𝒚 𝑷 = 𝒚 𝑹 ∗ [
𝑷 − 𝒑 𝑯𝟐𝑶
∗
𝑷 − 𝒑 𝑯𝟐𝑶
]
4. TEMPERATURA DE BULBO SECO
Es la tomada directamente con un termómetro
dentro de la mezcla. Se representa por (Ts).
5. TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO
Es la temperatura de equilibrio alcanzada por una
pequeña cantidad de líquido evaporándose en una
gran cantidad de mezcla gas-vapor insaturada. Se
representa por (Th). Puede usarse para medir la
humedad. Se recubre el depósito del termómetro
con alguna envoltura empapada con líquido del
vapor presente en el gas seco y haciendo pasar
rápidamente una corriente de gas no saturado, parte
del líquido se evapora, descendiendo la
temperatura, y cuando la del algodón húmedo es
inferior a la de la mezcla gas-vapor se inicia una
transferencia de calor. La temperatura de bulbo
húmedo es la que marca el termómetro cuando se
llega al equilibrio dinámico en el que el calor cedido
por el gas es igual al incremento de entalpía del
líquido vaporizado.
6. PUNTO DE ROCIO
Es la temperatura a la cual una mezcla gas-vapor
comienza a saturarse durante un enfriamiento a
presión constante. Se representa por (Tr).
7. SATURACION ADIABATICA
Un proceso adiabático es aquel que no intercambia
calor con el medio que lo rodea. Consiste en saturar
el aire haciéndolo pasar por un recipiente con agua
durante un tiempo determinado. El recipiente se
aísla para evitar la transferencia de calor con los
alrededores. Las líneas de temperatura de bulbo
húmedo constante en el diagrama de humedad, son
también líneas de saturación adiabática.
EJERCICIOS PROPUESTOS
1. El nitrógeno se satura con vapor de benceno a
la temperatura de 30º C y a una presión de 720
mmHg. Determinar la composición de la mezcla,
expresada de la siguiente manera:
• Porcentaje en volumen.
• Porcentaje en peso.
• kg de benceno por kg de nitrógeno.
• kmoles de benceno por kmol de nitrógeno.
2. Una mezcla de dióxido de carbono y vapor de
agua contiene 0,045 moles de vapor de agua
por mol de CO2 seco a una temperatura de 40°
C y una presión total de 750 mmHg. Determinar:
• Porcentaje de saturación de la mezcla.
• Saturación relativa.
• La temperatura a que debe calentarse la mezcla
para que la humedad relativa sea del 40 %.
3. N2 a 32°C y una presión total de 770 mmHg
contiene sulfuro de carbono de forma tal que el
porcentaje de saturación es del 80 %. Calcular
la temperatura que debe enfriarse el gas, a
presión constante, para condensar el 40 % del
S2C.
4. Un recipiente cerrado de 5 m3 de capacidad
contiene una mezcla de CO2 saturado con
tolueno a una temperatura de 30ºC. Si la
temperatura se disminuye a 10ºC, determinar la
cantidad de tolueno que condensará. La presión
del recipiente se mantiene a 1 atm.
5. Un recipiente contiene 10 kg de alcohol etílico a
la temperatura de 30ºC. A través de este
recipiente se le hace circular nitrógeno (a 30º C)
a razón de 1m3/min y a una presión de 1 atm.
Este entra al recipiente seco y sale saturado de
alcohol etílico. Determinar en cuántos minutos el
recipiente quedará vacío.
6. Un aire a 30º C y a una presión total de 750 mm
Hg tiene un porcentaje de saturación del 20 %.
Determinar: la humedad relativa ambiente,
humedad absoluta, presión parcial del vapor de
agua en el aire y su temperatura de rocío.
7. La atmósfera de una ciudad tiene un 50 % de
humedad relativa ambiente, siendo su
temperatura de 20ºC. Cuando anochece la
temperatura desciende a 12ºC. Determinar si se
producirá rocío.
8. El aire de una habitación tiene una temperatura
de 32º C y está a una presión total de 760 mm
Hg. Si se enfría el aire, el vapor de agua que
contiene comienza a condensar a 16º C. ¿Cuál
es la humedad relativa ambiente inicial?
9. Si la humedad relativa de 1 kg de aire es igual a
65% a 35°C y a 101,325 kPa de presión, y se
enfría hasta 5°C, a la misma humedad relativa,
manteniendo la presión constante a lo largo de
éste proceso de enfriado. Determine:
 La humedad inicial
 La humedad final
 La temperatura de rocío inicial
 La temperatura de rocío final
 La cantidad de vapor de agua removido en
el enfriamiento
10. Una muestra de aire a una temperatura de 50°C
de bulbo seco y 28°C de bulbo húmedo, es
enfriada a 10°C con humedad relativa
constante, a una presión constante de 101,32
kPa. Determine:
 La humedad inicial
 La humedad final
 La temperatura de rocío inicial
 La temperatura de rocío final
 La cantidad de vapor de agua removido en
el enfriamiento

3. 8. DIAGRAMA PSICROMETRICO
El diagrama psicométrico es la representación
gráfica de las ecuaciones analíticas de las mezclas
aire – vapor de agua a la presión atmosférica
normal. También se pueden encontrar o elaborar a
otras presiones atmosféricas locales. En este
diagrama se representa la temperatura como
abscisa (Eje X) y la humedad absoluta en
ordenadas (Y), las humedades relativas curvas
paralelas a la curva relativa del 100% o curva de
saturación a 100%, y con cada una se obtiene la
humedad del aire en función de su temperatura.
Representación de las zonas de un diagrama psicrométrico
Los puntos localizados a la izquierda de la curva de
saturación representan mezclas de aire saturado
con agua en estado líquido, lo que provoca bruma y
son condiciones muy inestables, indicando que ya el
vapor de agua se condensó. Cualquier punto
localizado a la derecha de la curva de saturación,
representa una mezcla bien definida de aire y vapor
de agua, que son los que interesan en este tema.
Isotermas en el diagrama psicrométrico
Sobre el diagrama psicrométrico se pueden trazar
las líneas de temperatura constante, o isotermas, de
bulbo seco que son paralelas al eje de la humedad
absoluta (verticales) como lo indica la siguiente
figura.
Representación de isotermas de bulbo seco y de saturación
adiabática en un diagrama psicrométrico.
Las líneas inclinadas con pendiente negativa
corresponden a las isotermas de saturación
adiabática que coinciden con las líneas de la
temperatura húmeda para el caso de la mezcla aire-
vapor de agua.
Recordar: el eje Y es el de humedad absoluta, casi
siempre en masa de agua /masa de aire seco.
Isolíneas de humedad relativa
Las curvas localizadas entre el eje de las abscisas y
la curva de saturación corresponden a las isolíneas
de humedad relativa cuyo valor disminuye a medida
que se alejan de la curva de saturación (hacia la
derecha). La figura representa las líneas de
humedad relativa.
Representación de las isolíneas de humedad relativa.
Líneas auxiliares
Además de las isolíneas anteriores existen gráficas
auxiliares diagonales: volumen saturado (m3 vapor
de agua/ kg aire seco) y entalpía de saturación (kJ /
kg aire seco). Esta última, comparte las líneas de
temperatura de bulbo húmedo constante, pero tiene
diferente escala, obviamente. Las líneas de volumen
saturado, son diagonales también, pero con una
pendiente diferente a las de entalpía, además de
que sus intervalos son más grandes y por ende toca
interpolar gráficamente en muchas ocasiones, para
localizar un valor, lo que conlleva grandes errores
en esta determinación.
RECOMENDACIÓN:
Para trabajar mezclas vapor de agua – aire, a
presión atmosférica de 1 atm, se facilita con la carta
psicrométrica. Se recomienda, entonces, tener
varias copias para usarlas repetidamente. También,
emplear lápiz negro para las líneas y algún color
para resaltar los puntos de intersección.