| Aria secca e Aria atmosferica
L'aria è una miscela di azoto,ossigeno e di piccoli quantitativi di altri gas,mentre l'aria dell'atmosfera,chiamata aria atmosferica, contiene anche vapore d'acqua (o umidità). Nel caso in cui l'aria non contenga vapore essa viene definita aria secca. Risulta spesso conveniente trattare l'aria come una miscela di vapore e aria secca,dal momento che la composizine di quest'ultima rimane pressochè costante, mentre la quantità di vapore d'acqua contenuta caqmbia a seguito della condensazione e dell'evaporazione dell'acqua dagli oceani, dei laghi, dei fiumi, delle pioggie e addirittura dalla sudaorazione del corpo umano. Sebbene la quantità d'acqua contenuta nell'aria ambientale sia piccola, essa riveste importanza fondamentale per il benessere dell'uomo, e anche per questo la miscela gas-vapore è alla base di tutti gli studi di condizionamento dell'aria.
Poichè anche il vapore d'acqua contenuto nell'aria può essere tratato come un gas perfetto, l'aria atmosferica può essere trattata come una miscela di gas perfetti la cui pressione è la somma dele pressioni parziali dell'aria secca pa e quella di vapore pv :
p = pa +pv(Pa) (1.1)
Alla pressione parziale del vapore d'acqua ci si riferisce di solito come alla pressione del vapore; essa è uguale alla pressione che il vapore eserciterebbe se occupasse da solo lo stesso volume alla stessa temperatura della miscela
Umidità assoluta e Umidità relativa
La quantità di vapore d'acqua contenuta nell'aria può essere definita direttamente come la massa di vapore d'acqua presente nell'unità di massa di aria secca; viene detta umidità assoluta ( o anche titolo dell'aria umida) e indicata con il simbolo x :
x = mv / ma (kgH20 / kgaria secca) (1.2)
L'umidità assoluta può esprimersi anche con la relazione:
x = mv / ma = 0.622pv / pa (1.3)
oppure con:
x = 0.622pv / (p - pv) (kgH20 / kgaria secca) (1.4)
dove p è la pressione totale.
Si consideri 1 kg di aria secca che per definizione non contiene vapore d'acqua e ha titolo nullo. Si aggiunga ora del vapore d'acqua all'aria secca: l'umidità assoluta aumenterà con l'aggiunta di acqua. Quando l'aria non sarà più in grado di contenere altro vapore d'acqua si dirà che è satura. In queste condizioni qualunque ulteriore quantità di vapore d'acqua che si dovesse aggiungere all'aria condenserà. La quantità di vapore d'acqua contenuta nell'aria satura in ogni condizione di temperature e pressione può essere determinata dalla equazione 1.4 sostituendo pv con pu, che rappresenta la pressione di saturazione dell'acqua a quella data temperatura ( es. psat,H20,25°C = 31.69 hPa ,ricavabile da tabelle ).
La quantità di vapore d'acqua contenuta nell'aria ha effetto sul benessere delle persone, ma il livello di benessere dipende principalmente dalla quantità di vapore che l'aria contiene (mv) rapportato alla massima quantità che essa potrebbe contenere alla stessa temperatura (mu). Il rapporto tra queste deu grandezze prende il nome di umidità relativa U.R.
U.R. = mv / mu = pv / pu (1.5)
dove si intende pu= psat,H20,T°C.
Combinando opportunamente le equazioni 1.4 e 1.5, l'umidità relativa si può esprimere anche come:
U.R. = x*p / (0.622 + )pu e x = 0.622*U.R. *pu / (p - U.R.* pu) (1.6)
L' umidità rlativa varia tra 0 (aria secca) e 1 (aria satura). Si noti che,poichè la quantità di vapore contenuta nell'aria varia con la temperatura, l'umidità relativa dell'aria varia anche se rimane costante il suo titolo (cioè la sua umidità assoluta).
La temperatura dell'aria atmosferica misurata con i normali termometri è detta temperatura di bulbo secco.
Esempio 1
Considerando un caso reale, cioè una giornata con una pressione dell'aria p = 1023 mbar = 102.3 kPa, una temperatura a bulbo asciutto T = 5°C,e U.R. = 18%,si può ricavare:
a)la pressione parziale di aria secca: pa = p - pv = p - U.R.* psat,H20,5°C = 101.23 - 0.18*0.8721 = 101.07 kPa
b)il titolo dell'aria umida: x = 0.622pv / (p - pv) = 0.622*0.1570 / ( 101.23 - 0.1570) = 0.000966 kgH20 / kgaria secca
La temperatura di rugiada ( o punto di condensazione, in inglese dew point)
In condizioni meteorologiche di forte umidità, può capitare di svegliarsi nelle mattine d'estate e trovare l'erba bagnata senza che durante la notte ci sia stata pioggia, poichè il vapore d'acqua in eccesso nell'aria si è condensato su di una superficie fredda e ha formato quella che si chiama rugiada. Infatti, in estate la considerevole quantità di acqua evaporata durante il giorno, col diminuire della temperatura dell'aria al calare della notte, tende a eguagliare la massima quantità di vapore acqueo che può essere contenuta nell'aria,cioè quella quantità di vapore che rende l'aria satura e porta l'umidità relativa al 100 per cento. A questo punto una ulteriore diminuzione della temperatura della miscela provoca la condensazione di parte del vapore acqueo contenuto e la formazione di rugiada.
La temperatura di rugiada TR è definita come quella temperatura alla quale inizia la condensazione quando si impone all'aria un raffreddamento a pressione costante. In altre parole TR è la temperatura di saturazione dell'acqua alla pressione parziale del vapore:
TR =Tsat,H20,pv. (ricavabile da tabelle) (1.7)
Da notare come se l'umidità relativa è pari al 100 per cento,la temperatura dell'aria e la temperatura di rugiada coincidono.
In una giornata calda e umida sulla lattina di una bibita fredda si forma immediatamente la rugiada, poichè la temperatura della lattina è inferiore a quella di rugiada dell'aria circostante.
Da questa osservazione può derivarsi un metodo per determinare la temperatura di ugiada dell'aria contennuta in un ambiente: se si raffredda l'acqua in un contenitore metallico aggiungendo piccoli quantitativi di ghiaccio e mescolando, la temperatura della superficie esterna del contenitore, all'incipiente formarsi della rugiada, rappresenta la temperatura di rugiada dell'aria.
Esempio 2
Analizzando un altro caso ,si può ricavare la temperatura di rugiada avendo una temperatura a bulbo asciutto T = 10°C,e U.R. = 50%,si può ricavare:
pv = U.R.* psat,H20,10°C = 0.5*1.2276 = 0.6138kPa
ricordando che TR =Tsat,H20,pv. tramite tabelle opportune si ricava TR =Tsat,H20,0.6138 kPa = 0.06°C
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