HIDROLOGÍA Tema: PRECIPITACIÓN
DEFINICIÓN:
La precipitación, es toda forma de humedad que
originándose en las nubes, llega hasta la superficie del suelo;
de acuerdo a esto, las precipitaciones pueden ser en forma
de:
* Lluvias (gotas de agua ϕ > 0.5 mm).
* Granizadas (bolas de hielo 5 mm<ϕ <125mm.
* Garúas (llovizna: pequeñas gotas de agua 0.1 mm
< ϕ < 0.5mm).
* Nevadas (nieve: cristales de hielo blanco traslúcido).
* Escarcha (capas de hielo que contienen bolsas de aire).
Desde el punto de vista de la ingeniería hidrológica, la
precipitación es la fuente primaria del agua de la superficie
terrestre y sus mediciones y análisis, forman el punto de
partida de los estudios concernientes al usos y control del
agua.
Propiedad del Vapor de Agua:
El proceso por el cual el agua en estado líquido se
convierte en vapor se llama evaporación . Las moléculas
de agua que poseen suficiente energía cinética para vencer
las fuerzas de atracción que tienden a retenerlas dentro de
la masa líquida son proyectadas a través de la superficie de
agua. Como la energía cinética aumenta y la tensión
superficial disminuye al aumentar la temperatura del agua,
la evaporación aumenta al incrementarse la temperatura.
Las moléculas pueden desprenderse de superficies de
nieve o hielo de la misma manera que lo hacen de
superficies líquidas. El proceso por medio del cual un
sólido es transformado directamente al estado gaseoso y
viceversa, se llama Sublimación.
HUMEDAD
En cualquier mezcla de gases, cada gas ejerce una presión
parcial independiente de los otros gases. La presión parcial
ejercida por el vapor de agua se denomina Presión de
Vapor. Si todo el vapor de agua de una muestra de aire
húmedo con presión inicial “p” contenido en un recipiente
cerrado se mueve, la presión final “p´ ” del aire seco será
inferior a “p”. La presión de vapor “e” sería la diferencia
entre las presiones ejercidas por el aire húmedo y el aire
seco ó p-p´.
Prácticamente, la máxima cantidad de vapor de agua que
puede existir en un espacio dado es una función de la
temperatura y es independiente de la coexistencia con
otros gases. Cuando un espacio dado contiene la máxima
cantidad de vapor de agua para una temperatura
determinada , se dice que el espacio está saturado.
La presión ejercida por el vapor de agua en un espacio
saturado se llama Presión de Vapor de Saturación, la cual
es, para fines prácticos, la máxima presión de vapor posible
a una temperatura dada.
El proceso por el cual el vapor pasa al estado líquido o
sólido se llama condensación . En un espacio en contacto
con una superficie de agua, los procesos de condensación y
evaporación ocurren simultáneamente. Si el espacio no está
saturado, la tasa de evaporación excederá a la tasa de
condensación, lo cual da como resultado una evaporación
neta (o simplemente evaporación).
Si el espacio está saturado, la evaporación y la condensación
se equilibran, siempre y cuando las temperaturas del aire y
del agua sean iguales.
Al introducir un bloque de hielo en un espacio saturado con
respecto al agua líquida a una temperatura igual o superior a
la del hielo, se observarán gotas de condensación en el
bloque de hielo. Esto se debe a que la presión de vapor de
saturación sobre el hielo es menor que sobre el agua a la
misma temperatura.
La evaporación remueve calor del líquido que se evapora,
mientras la condensación cede calor. Se llama Calor Latente
de Evaporación, a la cantidad de calor absorbida por una
unidad de masa de una sustancia al pasar del estado líquido
al gaseoso sin cambiar su temperatura. El cambio del estado
gaseoso al líquido libera una cantidad de calor equivalente.
CALOR DE EVAPORACIÓN DEL AGUA (Hv ): Está dado en
calorías por gramo, varía con la temperatura pero puede
determinarse con presición para temperaturas hasta de 40ºC
(104 ºF) por medio de la ecuación:
Hv = 597.3 – 0.564T T: Temperatura en ºC
El calor latente de fusión para el agua es la cantidad de calor
requerido para convertir un gramo de hielo en agua líquida a
la misma temperatura. Cuando un gramo de agua líquida se
congela a 0 ºC (32 ºF) libera el calor latente de fusión (79.7
cal/gr.)
El calor latente de Sublimación para el agua es la cantidad
de calor necesaria para convertir un gramo de hielo en vapor
a la misma temperatura y sin pasar por el estado intermedio
líquido. Es igual a la suma del calor latente de evaporación y
del calor latente de fusión. A 0 ºC (32 ºF) tiene un valor
aproximado de 677 cal/gr. La condensación directa del
vapor en hielo a la misma temperatura libera una cantidad
equivalente de calor.
PESO ESPECÍFICO DEL VAPOR DE AGUA: Es 0.622 veces la
del aire seco a la misma temperatura y presión.
DENSIDAD DEL VAPOR DE AGUA : Esta dado en gramo por
centímetro cúbico.
Donde:
T : Temperatura absoluta en grados Kelvin.
R g= Constante de los gases = 2.87 x 10 3
e =Presión del vapor en milibares (1mbar=1000dinas/cm²)
DENSIDAD DEL AIRE SECO (ρd) : Está dado en gramo por
centímetro cúbico.
Donde:
Pd= Presión en Milibares.
DENSIDAD DEL AIRE HÚMEDO: Es igual a la masa de
vapor de agua más la masa del aire seco por unidad de
volumen de la mezcla. Si Pa es la presión total del aire
húmedo, “Pa – e” será la presión parcial del aire seco.
Tenemos:
Esta ecuación demuestra que el aire húmedo es más liviano
que el aire seco.
PRESIÓN DE VAPOR DE SATURACIÓN (es ): Es la presión de
vapor en un espacio saturado y es una función de la
temperatura exclusivamente.
𝑒𝑠 = 33.8639 (0.00738𝑇 + 0.8072)8−0.000019 1.8𝑇 + 48 + 0.001316
donde:
es está en milibares y
T en grados Celsius.
En algunos casos resulta necesario convertir la presión de
vapor sobre el agua a presión sobre el hielo y viceversa. Se
puede utilizar la siguiente ecuación para llevar acabo la
conversión, produce resultados con una aproximación menor
del 0,1%para el intervalo de 0 a-50°C (32 a 58°F)
Sobre el agua a pres
es hielo ≈ 1 + 0,00972T + 0,000042T2
es agua
donde:
es está en milibares y
T en grados celsius.
EL PUNTO ROCÍO (Td): Es la temperatura a la cual un
espacio se satura al enfriar el aire a presión constante y con un
contenido de vapor de agua constante. Es la temperatura que
tiene una presión de vapor de saturación igual a la presión de
vapor existente e .
Cuando se conoce la humedad relativa, el punto de rocío
puede aproximarse dentro del orden de 0,3°C (0,5° F) y para
un intervalo de temperatura entre -40 y 50°C (-40 y 122°F)
por medio de la siguiente fórmula, la cual da la diferencia
entre la temperatura ambiente y el punto de rocío.
donde:
X, es el complemento de la humedad relativa f
expresada como fracción decimal ó X = 1.00 - 𝑓
100
T en grados celsius.
HUMEDAD RELATIVA (f ): Es el porcentaje de la presión de
vapor de saturación que representa la presión de vapor real;
por lo tanto es la relación entre la cantidad de humedad
contenida en un espacio dado y la que podría contener si
estuviera saturado.
𝑓 = 100𝑒
𝑒𝑠
La humedad relativa también puede calcularse en forma
directa a partir de la temperatura del Aire T y del punto de
rocío Td por medio de la siguiente fórmula aproximada:
donde:
T y Td en grados Celsius.
HUMEDAD ESPECÍFICA (qh ): Se expresa normalmente en
grados por kilogramo y es la masa de vapor de agua por
unidad de masa de aire húmedo.
RELACIÓN DE MEZCLA (wr ): Es la masa de vapor de
agua por unidad de masa de aire perfectamente seco en una
mezcla húmeda. Se expresa usualmente en gramos por
kilogramo de aire seco y está dado por: