Temperatura del bulbo húmedo

La temperatura de bulbo húmedo (WBT) es la temperatura leída por un termómetro cubierto con una tela que ha sido empapada en agua a temperatura ambiente (una temperatura húmeda). -termómetro de bombilla) y sobre el que pasa el aire. Con una humedad relativa del 100%, la temperatura de bulbo húmedo es igual a la temperatura del aire (temperatura de bulbo seco); a menor humedad, la temperatura de bulbo húmedo es menor que la temperatura de bulbo seco debido al enfriamiento por evaporación.

La temperatura de bulbo húmedo se define como la temperatura de una porción de aire enfriada hasta la saturación (100% de humedad relativa) por la evaporación de agua en ella, con el calor latente suministrado por la porción. Un termómetro de bulbo húmedo indica una temperatura cercana a la temperatura verdadera (termodinámica) de bulbo húmedo. La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura más baja que se puede alcanzar en las condiciones ambientales actuales mediante la evaporación del agua únicamente.

Incluso las personas adaptadas al calor no pueden realizar actividades normales al aire libre más allá de una temperatura de bulbo húmedo de 32 °C (90 °F), equivalente a un índice de calor de 55 °C (131 °F). Una lectura de 35 °C (95 °F), equivalente a un índice de calor de 71 °C (160 °F), se considera el límite teórico de supervivencia humana durante un máximo de seis horas de exposición.

Intuición

Si un termómetro se envuelve en un paño humedecido con agua, se comportará de manera diferente. Cuanto más seco y menos húmedo esté el aire, más rápido se evaporará el agua. Cuanto más rápido se evapore el agua, menor será la temperatura del termómetro en relación con la temperatura del aire.

El agua puede evaporarse sólo si el aire que la rodea puede absorber más agua. Esto se mide comparando la cantidad de agua que hay en el aire con el máximo que podría haber en el aire: la humedad relativa. 0% significa que el aire está completamente seco y 100% significa que el aire contiene toda el agua que puede contener en las circunstancias actuales y no puede absorber más agua (de ninguna fuente).

Esto es parte de la causa de la temperatura aparente en los humanos. Cuanto más seco es el aire, más humedad puede absorber más allá de la que ya hay en él y más fácil es que se evapore el exceso de agua. El resultado es que el sudor se evapora más rápidamente en el aire más seco, enfriando la piel más rápidamente. Si la humedad relativa es del 100%, no se puede evaporar agua y no es posible enfriar mediante sudoración o evaporación.

Cuando la humedad relativa es del 100%, un termómetro de bulbo húmedo tampoco se puede enfriar por evaporación, por lo que leerá lo mismo que un termómetro sin envolver.

Generalidades

La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura más baja que se puede alcanzar mediante el enfriamiento por evaporación de una superficie ventilada y humedecida con agua.

Por el contrario, el punto de rocío es la temperatura a la que se debe enfriar el aire ambiente para alcanzar el 100% de humedad relativa, suponiendo que no haya más evaporación en el aire; es la temperatura donde se formaría la condensación (rocío) y las nubes.

Para una porción de aire que está menos que saturada (es decir, aire con menos del 100 por ciento de humedad relativa), la temperatura de bulbo húmedo es menor que la temperatura de bulbo seco, pero mayor que la temperatura del punto de rocío. Cuanto menor es la humedad relativa (más seco es el aire), mayores son las diferencias entre cada par de estas tres temperaturas. Por el contrario, cuando la humedad relativa aumenta al 100%, las tres cifras coinciden.

Para aire a una presión y temperatura de bulbo seco conocidas, la temperatura termodinámica de bulbo húmedo corresponde a valores únicos de humedad relativa y temperatura de punto de rocío. Por lo tanto, puede utilizarse para la determinación práctica de estos valores. Las relaciones entre estos valores se ilustran en una tabla psicrométrica.

Las temperaturas de bulbo húmedo más bajas que se corresponden con un aire más seco en verano pueden traducirse en ahorros de energía en edificios con aire acondicionado debido a:

1. Carga de deshumidificación reducida para aire de ventilación
2. Mayor eficiencia de torres de refrigeración
3. mayor eficiencia de refrigeradores evaporativos

Temperatura termodinámica de bulbo húmedo

La temperatura termodinámica de bulbo húmedo es la temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriara adiabáticamente hasta la saturación mediante la evaporación del agua en él, siendo todo el calor latente suministrado por el volumen de aire.

La temperatura de una muestra de aire que ha pasado sobre una gran superficie de agua líquida en un canal aislado es la temperatura termodinámica de bulbo húmedo: el aire se ha saturado al pasar a través de una cámara de saturación adiabática ideal y de presión constante.

Los meteorólogos y otros profesionales pueden utilizar el término "temperatura de bulbo húmedo isobárico" para referirse a la "temperatura termodinámica de bulbo húmedo". También se la llama “temperatura de saturación adiabática”, aunque los meteorólogos también usan la “temperatura de saturación adiabática” para indicar la temperatura. para significar "temperatura en el nivel de saturación", es decir, la temperatura que alcanzaría el paquete si se expandiera adiabáticamente hasta saturarse.

La temperatura termodinámica de bulbo húmedo es una propiedad termodinámica de una mezcla de aire y vapor de agua. El valor indicado por un simple termómetro de bulbo húmedo a menudo proporciona una aproximación adecuada de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo.

Para un termómetro de bulbo húmedo preciso, "la temperatura de bulbo húmedo y la temperatura de saturación adiabática son aproximadamente iguales para mezclas de aire y vapor de agua a temperatura y presión atmosféricas". Esto no es necesariamente cierto a temperaturas y presiones que se desvían significativamente de las condiciones atmosféricas ordinarias, o para otras mezclas de gas y vapor."

Lectura de temperatura del termómetro de bulbo húmedo

La temperatura del bulbo húmedo se mide utilizando un termómetro cuyo bulbo está envuelto en una tela (llamada calcetín) que se mantiene húmeda con agua destilada mediante una acción absorbente. Un instrumento de este tipo se llama termómetro de bulbo húmedo. Un dispositivo ampliamente utilizado para medir la temperatura de bulbo húmedo y seco es un psicrómetro de honda, que consta de un par de mercurio termómetros de bulbo, uno con un "calcetín" para medir la temperatura de bulbo húmedo y el otro con el bulbo expuesto y seco para la temperatura de bulbo seco. Los termómetros están sujetos a un mango giratorio, lo que permite girarlos para que el agua se evapore del calcetín y enfríe el bulbo húmedo hasta que alcance el equilibrio térmico.

Un termómetro de bulbo húmedo real lee una temperatura que es ligeramente diferente de la temperatura de bulbo húmedo termodinámica, pero tienen un valor muy cercano. Esto se debe a una coincidencia: para un sistema agua-aire, la relación psicrométrica (ver más abajo) resulta ser cercana a 1, aunque para sistemas que no sean aire y agua, es posible que no lo sean.

Para entender por qué esto es así, primero considere el cálculo de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo.

Experimento 1

En este caso, se enfría una corriente de aire no saturado. El calor del enfriamiento de ese aire se utiliza para evaporar algo de agua, lo que aumenta la humedad del aire. En algún momento, el aire se satura con vapor de agua (y se enfría hasta la temperatura termodinámica de bulbo húmedo). En este caso podemos escribir el siguiente balance de energía por masa de aire seco:

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat}-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {sat})\cdot c_{\mathrm {s}$$

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat}$ contenido saturado de agua del aire (kg)_H2O/kg_{aire seco})
• ${\displaystyle H_{0}$ contenido de agua inicial del aire (la misma unidad como arriba)
• ${\displaystyle \lambda }$ calor latente de agua (J/kg_H2O)
• ${\displaystyle T_{0}$ temperatura del aire inicial (K)
• ${\displaystyle T_{\mathrm {sat}$ temperatura del aire saturada (K)
• ${\displaystyle C_{s}$ calor específico del aire (J/kg·K)

Experimento 2

Para el caso del termómetro de bulbo húmedo, imagine una gota de agua sobre la que pasa aire no saturado. Mientras la presión de vapor del agua en la gota (en función de su temperatura) sea mayor que la presión parcial del vapor de agua en la corriente de aire, se producirá la evaporación. Inicialmente, el calor necesario para la evaporación procederá de la propia gota.

En cambio, a medida que la gota comienza a enfriarse, ahora está más fría que el aire, por lo que comienza a ocurrir una transferencia de calor convectiva desde el aire a la gota. Además, la tasa de evaporación depende de la diferencia de concentración de vapor de agua entre la interfaz de la corriente de gota y la corriente distante (es decir, la corriente "original", no afectada por la gota), y de un coeficiente de transferencia de masa convectiva. , que es función de los componentes de la mezcla (es decir, agua y aire).

Después de un cierto período, se alcanza un equilibrio: la gota se ha enfriado hasta un punto en el que la tasa de calor transportada por evaporación es igual a la ganancia de calor por convección. En este punto, se cumple el siguiente balance de energía por área de interfaz:

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat}-H_{0})\cdot \lambda \cdot k'=(T_{0}-T_{\mathrm {eq})\cdot h_{\mathrm {c}}$$

• ${\displaystyle H_{\mathrm {sat}$ contenido de agua de la interfaz en equilibrio (kg_H2O/kg_{aire seco}) (nota que el aire en esta región es y siempre ha sido saturado)
• ${\displaystyle H_{0}$ contenido de agua del aire distante (la misma unidad como arriba)
• ${\displaystyle k'}$ coeficiente de transferencia de masa (kg/m²⋅s)
• ${\displaystyle T_{0}$ temperatura del aire a distancia (K)
• ${\displaystyle T_{\mathrm {eq}$ temperatura de gota de agua en equilibrio (K)
• ${\displaystyle h_{\mathrm {c}}$ coeficiente de transferencia de calor convectivo (W/m²·K)

Tenga en cuenta que:

• ${\displaystyle (H-H_{0})}$ es fuerza impulsora de transferencia masiva (continuamente igual a ${\displaystyle H_{\mathrm {sat} }-H_{0}$ durante todo el experimento)
• ${\displaystyle (T_{0}-T)}$ es fuerza impulsora para transferencia de calor (cuando ${\displaystyle T}$ Alcance ${\displaystyle T_{\mathrm {eq}$, el equilibrio se alcanza)

Reorganicemos esa ecuación en:

$${\displaystyle (H_{\mathrm {sat}-H_{0})\cdot \lambda =(T_{0}-T_{\mathrm {eq})\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} } {k'}}$$

Ahora volvamos a nuestro experimento original de "Termodynamic Wet-bulb", Experimento 1. Si el flujo de aire es el mismo en ambos experimentos (es decir, ${\displaystyle H_{0}$ y ${\displaystyle T_{0}$ son los mismos), entonces podemos equiparar los lados de la mano derecha de ambas ecuaciones:

$${\displaystyle (T_{0}-T_{\mathrm {sat})\cdot c_{\mathrm {s} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq})\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} } {k'}}$$

Reorganización:

$${\displaystyle T_{0}-T_{\mathrm {sat} }=(T_{0}-T_{\mathrm {eq})\cdot {\frac {h_{\mathrm {c} }{k'\cdot c_{\mathrm {s} }$$

Si ${\displaystyle {\dfrac {h_{\mathrm {c} }{k'c_{\mathrm {s} }=1}$ entonces la temperatura de la caída en el Experimento 2 es la misma que la temperatura de la bomba húmeda en el Experimento 1. Debido a una coincidencia, para la mezcla de vapor de aire y agua este es el caso, la relación (llamada ratio psicométrica) estar cerca de 1.

El experimento 2 es lo que sucede en un termómetro de bulbo húmedo común, lo que significa que su lectura es bastante cercana a la temperatura termodinámica ("real") de bulbo húmedo.

Experimentalmente, la lectura del termómetro de bulbo húmedo es la más cercana a la temperatura termodinámica de bulbo húmedo si:

• El calcetín está protegido del intercambio de calor radiante con sus alrededores
• El aire fluye más allá del calcetín lo suficientemente rápido para evitar que la humedad evaporada afecte la evaporación del calcetín
• El agua suministrada al calcetín es a la misma temperatura que la temperatura termodinámica de la bomba húmeda del aire

En la práctica, el valor informado por un termómetro de bulbo húmedo difiere ligeramente de la temperatura termodinámica de bulbo húmedo porque:

• El calcetín no está perfectamente protegido del intercambio de calor radiante
• El caudal de aire pasado del calcetín puede ser inferior al óptimo
• La temperatura del agua suministrada al calcetín no es controlada

A humedades relativas inferiores al 100 por ciento, el agua se evapora del bulbo y lo enfría por debajo de la temperatura ambiente. Para determinar la humedad relativa, la temperatura ambiente se mide con un termómetro común, más conocido en este contexto como termómetro de bulbo seco. A cualquier temperatura ambiente dada, una menor humedad relativa da como resultado una mayor diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo; el bulbo húmedo es más frío. La humedad relativa precisa se determina leyendo un gráfico psicrométrico de temperaturas de bulbo húmedo versus temperaturas de bulbo seco, o mediante cálculo.

Los psicrómetros son instrumentos con un termómetro de bulbo húmedo y otro de bulbo seco.

También se puede utilizar un termómetro de bulbo húmedo al aire libre bajo la luz solar en combinación con un termómetro de globo (que mide la temperatura radiante incidente) para calcular la temperatura de bulbo húmedo y globo (WBGT).

Temperatura adiabática de bulbo húmedo

La temperatura adiabática de bulbo húmedo es la temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriara adiabáticamente hasta la saturación y luego se comprimiera adiabáticamente hasta la presión original en un proceso adiabático húmedo. Dicho enfriamiento puede ocurrir a medida que la presión del aire se reduce con la altitud, como se indica en el artículo sobre el nivel elevado de condensación.

Este término, tal como se define en este artículo, puede ser más frecuente en meteorología.

Como el valor denominado "temperatura termodinámica de bulbo húmedo" también se logra mediante un proceso adiabático, algunos ingenieros y otros pueden usar el término "temperatura adiabática de bulbo húmedo" para medir la temperatura. para referirse a la "temperatura termodinámica de bulbo húmedo". Como se mencionó anteriormente, los meteorólogos y otras personas pueden utilizar el término "temperatura de bulbo húmedo isobárico" para medir la temperatura. para referirse a la "temperatura termodinámica de bulbo húmedo".

"La relación entre los procesos isobárico y adiabático es bastante oscura. Sin embargo, las comparaciones indican que las dos temperaturas rara vez difieren en más de unas pocas décimas de grado Celsius, y la versión adiabática es siempre la más pequeña de las dos para aire no saturado. Como la diferencia es tan pequeña, en la práctica normalmente se pasa por alto."

Depresión de bulbo húmedo

La depresión del bulbo húmedo es la diferencia entre la temperatura del bulbo seco y la temperatura del bulbo húmedo. Si hay 100% de humedad, las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo son idénticas, lo que hace que la depresión del bulbo húmedo sea igual a cero en tales condiciones.

Temperatura de bulbo húmedo y salud

Los organismos vivos sólo pueden sobrevivir dentro de un cierto rango de temperatura. Cuando la temperatura ambiente es excesiva, muchos animales se enfrían por debajo de la temperatura ambiente mediante enfriamiento por evaporación (sudor en humanos y caballos, saliva y agua en perros y otros mamíferos); esto ayuda a prevenir una hipertermia potencialmente mortal debido al estrés por calor. La eficacia del enfriamiento evaporativo depende de la humedad; La temperatura de bulbo húmedo, o cantidades calculadas más complejas, como la temperatura de bulbo húmedo del globo (WBGT), que también tiene en cuenta la radiación solar, dan una indicación útil del grado de estrés por calor y son utilizadas por varias agencias como base para calcular el calor. Pautas de prevención del estrés.

Se ha pensado que una temperatura sostenida de bulbo húmedo que supere los 35 °C (95 °F), dado el requisito del cuerpo de mantener una temperatura central de aproximadamente 37 °C, es probable que sea fatal incluso para gente sana y en forma, desnuda a la sombra junto a un ventilador; a esta temperatura el cuerpo humano pasa de emitir calor al medio ambiente a obtener calor de él. En la práctica, estas condiciones ideales para que los humanos se refresquen no siempre existirán; de ahí los altos niveles de mortalidad en las olas de calor europeas de 2003 y rusas de 2010, en las que las temperaturas de bulbo húmedo no superaron los 28 °C. Un estudio de 2022 sobre el efecto del calor en los jóvenes encontró que la temperatura crítica de bulbo húmedo a la que el estrés por calor ya no se puede compensar, T_wb,crit, en adultos jóvenes y sanos que realizan tareas a temperaturas modestas Las tasas metabólicas que imitaban las actividades básicas de la vida diaria fueron de aproximadamente 30,55 °C en ambientes húmedos de 36 a 40 °C, pero disminuyeron progresivamente en ambientes más cálidos y secos.

Un estudio de 2015 concluyó que, dependiendo del alcance del calentamiento global futuro, algunas partes del mundo podrían volverse inhabitables debido a las mortales temperaturas de bulbo húmedo. Un estudio de 2020 informó casos en los que ya se había producido una temperatura de bulbo húmedo de 35 °C (95 °F), aunque demasiado brevemente y en una localidad demasiado pequeña para causar muertes.

En 2018, Carolina del Sur implementó nuevas regulaciones para proteger a los estudiantes de secundaria de emergencias relacionadas con el calor durante actividades al aire libre. Existen pautas y restricciones específicas para temperaturas de globo húmedo entre 82,0 °F (27,8 °C) y 92,0 °F (33,3 °C); Las temperaturas de bulbo húmedo del globo de 92,1 °F (33,4 °C) o más requieren la cancelación de todas las actividades al aire libre.

Olas de calor con alta humedad

• El 8 de julio de 2003, Dhahran, Arabia Saudita vio el índice de calor más alto registrado en 81 °C (178 °F) con una temperatura de 42 °C (108 °F) y un punto de rocío de 35 °C (95 °F).
• La onda de calor india 2015 vio las temperaturas de la bomba mojada en Andhra Pradesh alcanzar 30 °C (86 °F). Durante la ola de calor de Chicago de 1995 se alcanzó una temperatura similar de bomba húmeda.
• Una ola de calor en agosto de 2015 vio temperaturas de 48.6 °C (119.5 °F) y un punto de rocío de 29.5 °C (85.1 °F) en Samawah, Iraq, y 46 °C (115 °F) con un punto de rocío de 32 °C (90 °F) en Bandar-e Mahshahr, Irán. Estas temperaturas implícitas de bulbo húmedo de aproximadamente 33.5 °C (92.3 °F) y 34.7 °C (94.5 °F) respectivamente. El gobierno instó a los residentes a mantenerse fuera del sol y beber mucha agua.

Temperaturas de bulbo húmedo más altas registradas

Las siguientes ubicaciones han registrado temperaturas de bulbo húmedo de 34 °C (93 °F) o más. Las estaciones meteorológicas suelen estar en los aeropuertos, por lo que es posible que otros lugares de la ciudad hayan experimentado valores más altos.

Cambio climático

Los resultados del estudio indican que limitar el calentamiento global a 1,5 °C evitaría que la mayoría de los trópicos alcancen la temperatura de bulbo húmedo del límite fisiológico humano de 35 °C.