¿Cuál es la densidad del aire?

Con esta calculadora de densidad del aire, puede determinar al instante la densidad de las moléculas de un objeto, lo que le permite estimar la densidad del aire $\rho$ en función de las condiciones locales de temperatura y presión . Este valor es fundamental para muchos cálculos posteriores, como la determinación de la resistencia aerodinámica o el rendimiento de una turbina eólica. Continúe leyendo para comprender mejor la relación entre el clima local y la densidad del aire ρ, y para conocer los niveles de densidad del aire en diferentes regiones.

La densidad del aire se ve influenciada por diversos factores y varía de un lugar a otro. Principalmente cambia con la temperatura, la humedad relativa, la presión atmosférica y  la altitud  (véase la tabla de densidad del aire a continuación). La presión atmosférica está relacionada con el peso del aire en un lugar determinado. Es fácil imaginar que cuanto mayor es la altitud, menor es la cantidad de aire sobre nosotros y, por lo tanto, menor es la presión atmosférica. En consecuencia,  la presión atmosférica disminuye al aumentar la altitud  . Las siguientes secciones tratarán sobre  la densidad del aire al nivel del mar  y  la densidad del aire estándar  .

Para el aire seco, su densidad al nivel del mar es aproximadamente igual a  59 °F (15 °C)la  14.7 psi (1013.25 hPa)presión atmosférica media   0.0765 lb/(cu ft) (1.225 kg/(m^3)). Si la temperatura, la humedad o la altitud del aire cambian (y, por lo tanto, cambia la presión atmosférica), la densidad del aire también cambiará.

$En\; términos\; generales$$,$ por cada$1000$pies$\text{ de aumento}$ de altitud$,$el peso disminuye en$0,0022-0,0023$libras$($ . 

La densidad del aire se suele representar con la letra griega ρ  y mide  la masa por unidad de volumen de aire (por ejemplo, g/m³   ^{). El aire seco se compone principalmente de nitrógeno (} $aproximadamente$$el\; 78$  % ) y oxígeno ( $aproximadamente\; el\; 21$$)$  . El $contiene$ diversos gases como argón, dióxido de carbono, neón o helio. Sin embargo, cuando hay vapor de agua presente en el aire, deja de ser aire seco.

Como mezcla de gases, el aire no tiene una densidad constante. La densidad del aire depende en gran medida de sus componentes. La mayoría de los componentes tienen densidades similares y su influencia en la densidad total es mínima. Sin embargo, el vapor de agua es una excepción. Cuanto mayor sea el contenido de vapor de agua en el aire, menor será su densidad.

Para calcular la densidad del aire en cualquier lugar, se necesitan algunos parámetros meteorológicos básicos. Normalmente, esta información se puede encontrar en la página web de la estación meteorológica local.

• Presión atmosférica.  La presión atmosférica se mide en hectopascales (hPa). Si el lugar de análisis se encuentra a gran altitud, puede utilizar nuestra calculadora barométrica para altitudes elevadas para obtener un valor más preciso de este parámetro.
• Temperatura.  Se refiere a la temperatura exterior, medida en grados Celsius.
• Humedad relativa  o  punto de rocío.  Nuestra calculadora de densidad del aire permite calcular el punto de rocío a partir de un valor, y también puede usar nuestra calculadora de punto de rocío. El punto de rocío es la temperatura a la que el vapor de agua comienza a condensarse, medida en grados Celsius.

Calcular la densidad del aire es muy sencillo. Basta con descomponer la presión atmosférica en dos presiones parciales: la presión del aire seco y la presión del vapor de agua. La suma de estas dos presiones parciales da como resultado el valor del parámetro deseado.

1. Calcule la presión de vapor saturado a una temperatura T dada $utilizando\; la\; siguiente\; fórmula$ : P1 = 6,1078 ⋅ 107,5T  +237,3 /7,5T$,$ donde$T$$está$en grados Celsius$.$La presión de vapor  saturado  se refiere  a la presión de vapor$al$ 100 %$de\; humedad\; relativa$( nuestra calculadora utiliza una fórmula más precisa, pero también más compleja,$que\; no\; se\; detallará\; aquí$  . Si le interesa, puede hacer clic en el enlace proporcionado para encontrar la «FUNCIÓN ESW(T)»).
2. La presión de vapor real se obtiene multiplicando la presión de vapor saturado por la humedad relativa:
   π = π1⋅RH  π  v  ρ  =  π  1  ρ  ⋅  RH .
3. La presión del aire seco se puede obtener restando la presión de vapor de la presión total del aire: Pd =
   P –  P₀  Pd   =  P  –  Pv  .
4. Sustituya el resultado del cálculo en la siguiente fórmula:

Dónde:

• Pad  es la presión del aire seco , medida en Pa.
• P  _v es la presión de vapor de agua, medida en Pa.
• TT es la temperatura medida en Kelvin$;$
• La constante$específica$ del gas del aire seco es 287,058 J/(kg·K).
• La constante específica del gas para el vapor de agua $es\; 461,495\; J/(kg·K).$

La definición básica de densidad del aire es muy similar a la definición general de densidad. Nos indica cuánto pesa un volumen determinado de aire. Podemos expresarla mediante la fórmula de la densidad del aire:

A partir de la fórmula anterior, podría pensarse que la densidad del aire es una constante que se utiliza para describir las propiedades de un gas en particular. Sin embargo, la densidad de cualquier sustancia (sólida, líquida o gaseosa) depende en mayor o menor medida de su composición química , así como de las condiciones externas,  como la presión y la temperatura .

Debido a estas interdependencias y al hecho de que la atmósfera terrestre contiene diversos gases (principalmente  nitrógeno, oxígeno, argón y vapor de agua ), es necesario ampliar la definición de densidad del aire. La calculadora de densidad del aire se ha modificado en consecuencia, basándose en la fórmula de densidad del aire que se proporciona en la sección «¿Cómo calcular la densidad del aire?» .

En resumen, queremos plantearles una pregunta interesante. ¿Qué opinan? ¿El aire húmedo es más pesado o más ligero que el aire seco? La respuesta correcta quizá no sea tan intuitiva como imaginan. De hecho, ¡  cuanto mayor es la cantidad de vapor de agua en el aire, menor es su densidad!  Quizá les cueste creerlo, pero usaremos algunos argumentos lógicos para convencerlos.

En primer lugar, cabe mencionar la ley de Avogadro  , que establece que:

»  A la misma temperatura y presión, volúmenes iguales de todos los gases contienen el mismo número de moléculas.   «

Imagine que coloca aire seco en un recipiente con volumen, temperatura y presión constantes. El aire completamente seco consta de los siguientes componentes:

• El 78% de la molécula de nitrógeno  N2 está compuesta por dos átomos de N con un peso atómico de 14 u  (peso total 28 u).
• El O2 constituye el 21% de la molécula de oxígeno  . El O2 está compuesto por dos átomos de oxígeno  con un peso atómico de 16 u  (peso total 32 u).
• 1% de moléculas de argón   (   el Ar  tiene un peso atómico de 39,8 u).

Tenga en cuenta que el peso atómico de cada molécula listada es mayor o igual a 18 u. Ahora, añadimos algunas moléculas de vapor de agua (   H₂O –  dos átomos de hidrógeno, peso atómico 1 u, y un átomo de oxígeno, peso atómico 16 u) al gas, con un peso atómico total de 18 u. Según la ley de Avogadro, en las mismas condiciones (volumen, presión y temperatura), el número total de moléculas en el recipiente permanece constante. Esto significa que  las moléculas de vapor de agua deben sustituir al nitrógeno, al oxígeno o al argón  . Dado que las moléculas de H₂O son más ligeras que las de otros gases, la masa total del gas disminuye y, por consiguiente, la densidad del aire también disminuye.

En capítulos anteriores,  hemos mencionado varias veces el término «aire seco».  Pero, ¿qué significa exactamente? Existen dos definiciones:

• La definición más común es: aire que no contiene vapor de agua  . Sin embargo, el aire atmosférico nunca está completamente seco porque siempre contiene algo de humedad.
• Otra definición más práctica es que el aire seco se refiere al  aire con baja humedad relativa  y bajo punto de rocío.

La aproximación más común del punto de rocío es el logaritmo de la humedad relativa. Como bien sabes, el logaritmo tiende a cero y su valor tiende a menos infinito. Por lo tanto, no hay punto de rocío cuando la humedad relativa es cero. Sin embargo, aún puedes calcular la densidad del aire seco usando una calculadora de densidad del aire. Simplemente selecciona aire seco en el campo «Tipo de aire» ; en el cálculo hemos omitido los efectos del punto de rocío y la humedad relativa.

Para comprender mejor cómo la temperatura y la presión afectan la densidad del aire, analicemos el aire seco. El aire seco se compone principalmente de moléculas de nitrógeno y oxígeno, que se mueven a velocidades asombrosas. ¡Utiliza nuestra calculadora de velocidad de partículas para ver lo rápido que pueden ir! Por ejemplo, a temperatura ambiente, una molécula de nitrógeno con una masa de 14 u (la u es la unidad de masa atómica unificada) tiene una velocidad promedio de aproximadamente 670 metros por segundo, ¡el doble de la velocidad del sonido! Además, cuanto mayor es la temperatura, mayor es la aceleración de las moléculas de gas. Por lo tanto, mayor es la presión que ejercen sobre su entorno y mayor es el volumen del gas (esto se explica en detalle en la calculadora de la Ley de los Gases Ideales). Con el mismo número de partículas, un mayor volumen resulta en una menor densidad. Por consiguiente,  la densidad del aire disminuye a medida que aumenta la temperatura  .

La presión, en cambio, tiene el efecto contrario. Imaginemos un cilindro de gas con un volumen fijo.  Al aumentar la presión dentro del cilindro, aumenta el número de moléculas de gas en su interior, lo que incrementa la densidad del aire  .

La altitud influye significativamente en la densidad del aire, ya que a mayor altitud la presión y la temperatura son mayores. A grandes altitudes, el contenido de oxígeno por unidad de volumen de aire es menor debido a la menor cantidad de aire. Por lo tanto, los alpinistas que deciden escalar las cumbres más altas suelen necesitar bombonas de oxígeno y máscaras para respirar. Esto no supone un problema en los aviones, ya que la cabina está presurizada para mantener la misma densidad del aire que a nivel del suelo. Para comprender cómo cambian las propiedades del aire con la altitud, consulte la tabla siguiente sobre la densidad del aire seco (datos del servidor de informes técnicos de la NASA,  Atmósfera Estándar Americana, 1976   ). Por consiguiente,  la densidad del aire seco a 16 000 pies (5 km) es aproximadamente la mitad que a nivel del mar  .

La unidad SI de densidad es el kilogramo por metro cúbico (kg/m³). Sin embargo, en algunos casos, las siguientes unidades resultan más convenientes:

• Gramos por centímetro cúbico (g/cm³)   , 1 g/cm³ = 0,001 kg/m³;
• kilogramos por litro (kg/l)   , 1 kg/l = 1000 kg/m3;
• Gramos por mililitro (g/ml)   , 1 g/ml = 1000 kilogramos por metro cúbico.

La elección de la unidad depende de la situación específica. A veces se conoce el volumen de la cámara de aire (en litros) y otras veces es necesario medir sus dimensiones para obtenerlo (en metros cúbicos). ¡En la calculadora de densidad del aire, puedes cambiar la unidad libremente!

Lo mismo se aplica a la densidad del aire expresada en unidades imperiales. Algunos ejemplos de estas unidades son:

• libras por pie cúbico (lb/pie cúbico  )
• 1 libra/ metro cúbico   ≈ 0,037 libras/pie cúbico.
• Una onza por pulgada cúbica (oz/pulgada cúbica)   , 1 oz/pulgada cúbica = 108 libras por pie cúbico;
• libras por galón (US gal)   , 1 lb/US gal ≈ 7,48 lb/pie cúbico.

Dado que las temperaturas y las presiones atmosféricas varían de un lugar a otro, es necesario definir condiciones atmosféricas de referencia. En los últimos años, se han propuesto diversas definiciones de condiciones estándar (por ejemplo, en cálculos técnicos o científicos). Si estudia o trabaja en los sectores técnico, de ingeniería o químico, siempre debe consultar  las normas utilizadas por los autores de publicaciones, artículos o libros.  Es importante comprender qué entienden por condiciones «estándar».  Las normas no solo se actualizan periódicamente, sino que también son desarrolladas por diferentes organizaciones (algunas incluso tienen varias$definiciones\; de\; condiciones\; de\; referencia\; estándar).\; La\; siguiente\; lista\; muestra\; algunas\; presiones\; de\; referencia\; estándar\; P0$ y temperaturas $T0$  de uso común actualmente  (tenga en cuenta que existen muchas más ) :

• Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC): $Temperatura$$y$$\text{presión}$$estándar\; ($STP )   , $=$$=$$\text{0}$$°$$C$ ;
• $Instituto\; Nacional$$de$ Estándares y Tecnología (NIST  $)$ :$\text{ ISO}$  10780 $,$  P0  = $1$  atm  , T   =  0$grados\; Celsius$$;$ 
• Organización de Aviación Civil Internacional (OACI):  $Atmósfera$ Estándar $Internacional$$($$\text{ISA}$$)$ ,   P0  $1$  15 grados Celsius  $;$
• Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos $(\; EPA):\; Temperatura\; y$presión normales (   $\text{NTP}$$)$ ,   P0  $=$$1$ atm  ,   T  =  $grados$
• Unión$\text{ Internacional}$$de\; Química$$Pura\; y\; Aplicada$$:\; Temperatura$$y$ presión  ambiente estándarSATP  ),$=$  T  = $25$$°$$\text{C.}$

Por lo tanto , sidesea responder a la pregunta «¿Cuál es la densidad estándar del aire?«, deberá elegir las condiciones estándar adecuadas. Suponiendo una humedad relativa baja (aire seco), puede utilizar una calculadora de densidad del aire para realizar el cálculo. Por ejemplo, la $densidad$$estándar$es ρ₀$=$ 1,2754  kg m⁻³  ,  la densidadestándar del  airesegún$las\; condiciones\; NIST$ es ρ₀  = 1,2923  kg $m⁻³$$\mathrm{y}$la$densidad$ estándar del$aire$ en condiciones SATP es ρ₀ =  1,1684 $\mathrm{kg}$ m⁻³  .  

La presión atmosférica es una propiedad física de los gases que describe la magnitud de la fuerza que ejerce un gas sobre su entorno. Consideremos un recipiente cúbico lleno de aire (véase el diagrama inferior). Según la teoría cinética de los gases, las moléculas de gas se encuentran en constante movimiento a velocidades que dependen de su energía térmica. Se producen colisiones entre las moléculas y entre estas y las paredes del recipiente, ejerciendo sobre ellas una pequeña fuerza. Sin embargo, cuando  el número de moléculas en el recipiente aumenta hasta aproximadamente 10²³  (del orden de la constante de Avogadro), la fuerza total se vuelve significativa y medible:  esta es la presión atmosférica  .

La humedad relativa $\text{)}$ se define como la relación entre la presión parcial del vapor de agua  y  la presión de equilibrio del vapor de agua a una temperatura dada. La presión parcial se refiere a la presión ejercida por cada componente del aire cuando se encuentra solo, al mismo volumen y temperatura. La presión total del aire se obtiene sumando las presiones parciales de todos los gases que lo componen, y podemos medirla directamente.

La presión de vapor de equilibrio del agua es la presión que se ejerce cuando el vapor de agua y su fase líquida se encuentran en equilibrio termodinámico a una temperatura dada. Mide la tendencia de las moléculas o átomos a escapar de la superficie del líquido y pasar a estado gaseoso. La presión de vapor de equilibrio aumenta con la temperatura.

La humedad relativa $\text{)}$ varía del 0% al 100%, donde el 0% indica aire seco y el 100% indica aire totalmente saturado (100% de vapor de agua). Es importante destacar que  una humedad relativa del 100% no significa que el aire contenga únicamente vapor de agua.  Con una humedad relativa del 100%, al enfriar el aire, el vapor de agua se condensa.

El punto de rocío  es la temperatura a la que el vapor de agua en el aire alcanza la saturación. Es una magnitud física estrechamente relacionada con la humedad del aire. Cuando el aire se enfría por debajo del punto de rocío, el vapor de agua se condensa y forma rocío.

Existen varios métodos para estimar la temperatura del punto de rocío. Nuestra calculadora de densidad del aire utiliza la siguiente fórmula:

Donde $\alpha$ es un parámetro que depende de la humedad relativa $\text{HR}$ y la temperatura T $:$

La humedad relativa se expresa en porcentaje y la temperatura en grados Celsius.  Dado que el punto de rocío está directamente relacionado con la humedad relativa, solo necesita introducir uno de estos parámetros en la calculadora de densidad del aire.

El cuerpo humano utiliza la evaporación del sudor para refrescarse en climas cálidos.  La velocidad a la que se evapora el sudor depende de la humedad del aire . Si el aire está saturado (humedad relativa del 100%), el sudor no se evapora y la persona queda empapada. Afortunadamente, el sudor se evapora más rápido cuando el viento sopla en dirección opuesta al cuerpo, lo que proporciona una sensación de frescor y confort. También puede producirse incomodidad cuando el punto de rocío es bajo (aire seco), ya que el aire seco puede provocar que la piel se agriete y se irrite más.

La tabla a continuación muestra el punto de rocío y la humedad relativa (relacionada) a una temperatura de 68 grados Fahrenheit (20 grados Celsius). El punto de rocío no puede ser superior a la temperatura del aire porque la humedad relativa no puede superar el 100 %. Por otro lado, cuando la humedad relativa es del 0 %, decimos que el aire está seco (ya que no hay agua, el punto de rocío no tiene sentido).

Para calcular la densidad del aire seco, siga estos pasos:

1. La presión absoluta se expresa  en pascales (Pa)   .
2. Escriba la temperatura absoluta T  en Kelvin (K).
3. Para obtener la densidad del aire seco, sustituya  los parámetros en la siguiente fórmulaρ = P/(R×T) : donde  R  es una constante de gas específica para el aire seco, igual a  287,058 J/(kg·K).

Aproximadamente 1,204 kg/m³   . Dado que la densidad del aire seco se puede  ρ = P/(R×T)calcular utilizando  R = 287.058 J/(kg·K), en y , obtenemos: .101325 Pa20 °C = 293.15 Kρ = 101325 / (287.058 × 293.15) = 1.204 kg/m³