La temperatura de bulbo húmedo ( WBT ) es una temperatura , una cantidad física , que se puede medir con un termómetro cubierto con un paño empapado en agua a temperatura ambiente ( termómetro de bulbo húmedo ) y sobre el cual se hace pasar aire. [1] A una humedad relativa del 100% , la temperatura de bulbo húmedo es igual a la temperatura del aire ( temperatura de bulbo seco ); a una humedad menor, 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. [2] Un termómetro de bulbo húmedo indica una temperatura cercana a la temperatura de bulbo húmedo real (termodinámica). La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura más baja que se puede alcanzar en las condiciones ambientales actuales mediante la evaporación de agua únicamente.
Incluso las personas adaptadas al calor no pueden realizar actividades normales al aire libre a una temperatura de bulbo húmedo superior a 32 °C (90 °F), equivalente a un índice de calor de 55 °C (131 °F). Una temperatura de 35 °C (95 °F), equivalente a un índice de calor de 71 °C (160 °F), se considera el límite teórico de supervivencia humana para hasta seis horas de exposición. [3] [4]
Si se envuelve un termómetro en un paño humedecido con agua, se comportará de forma diferente. Cuanto más seco y menos húmedo sea el aire, más rápido se evaporará el agua. Cuanto más rápido se evapore el agua, más baja será la temperatura del termómetro en relación con la temperatura del aire.
El agua sólo puede evaporarse 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).
Esta es parte de la causa de la temperatura aparente en los seres humanos. Cuanto más seco es el aire, más humedad puede absorber además de la que ya tiene, y más fácil es que el agua sobrante se evapore. El resultado es que el sudor se evapora más rápidamente en el aire más seco, enfriando la piel más rápido. Si la humedad relativa es del 100%, no se puede evaporar agua y no es posible enfriarse mediante el sudor o la evaporación.
Cuando la humedad relativa es del 100%, un termómetro de bulbo húmedo ya no puede enfriarse por evaporación, por lo que su lectura será la misma que la de un termómetro sin envolver.
La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura más baja que puede alcanzarse mediante 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 hay más evaporación en el aire; es la temperatura en la que se formarían la condensación (rocío) y las nubes.
En el caso de una porción de aire que no está saturada (es decir, aire con una humedad relativa inferior al 100 %), la temperatura de bulbo húmedo es inferior a la temperatura de bulbo seco , pero superior a la temperatura del punto de rocío. Cuanto menor sea la humedad relativa (cuanto más seco esté el aire), mayores serán las diferencias entre cada par de estas tres temperaturas. Por el contrario, cuando la humedad relativa aumenta al 100 %, las tres cifras coinciden.
Para el aire a una presión y una temperatura de bulbo seco conocidas, la temperatura de bulbo húmedo termodinámica corresponde a valores únicos de la humedad relativa y la temperatura del punto de rocío. Por lo tanto, puede utilizarse para la determinación práctica de estos valores. Las relaciones entre estos valores se ilustran en un diagrama psicrométrico .
Las temperaturas de bulbo húmedo más bajas que corresponden con un aire más seco en verano pueden traducirse en ahorros de energía en edificios con aire acondicionado debido a:
La temperatura termodinámica de bulbo húmedo es la temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriase adiabáticamente hasta la saturación por evaporación de 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 de bulbo húmedo termodinámica: el aire se ha saturado al pasar a través de una cámara de saturación adiabática ideal y de presión constante.
Los meteorólogos y otros especialistas pueden utilizar el término "temperatura isobárica de bulbo húmedo" para referirse a la "temperatura termodinámica de bulbo húmedo". También se la denomina "temperatura de saturación adiabática", aunque los meteorólogos también utilizan "temperatura de saturación adiabática" para referirse a la "temperatura en el nivel de saturación", es decir, la temperatura que alcanzaría la parcela si se expandiera adiabáticamente hasta saturarse. [5]
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 suele proporcionar 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". [6]
La temperatura de bulbo húmedo se mide utilizando un termómetro que tiene el bulbo envuelto en una tela, llamada calcetín , que se mantiene húmedo con agua destilada mediante una acción de mecha . Este instrumento 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 consiste en un par de termómetros de bulbo de mercurio, uno con un "calcetín" húmedo 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 unidos a un mango giratorio, 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 indica una temperatura ligeramente diferente de la temperatura de bulbo húmedo termodinámica, pero sus valores son muy similares. Esto se debe a una coincidencia: para un sistema de agua y aire, la relación psicrométrica (ver a continuación) es cercana a 1, aunque para sistemas distintos del aire y el agua puede que no sea tan cercana.
Para entender por qué esto es así, primero consideremos el cálculo de la temperatura termodinámica del bulbo húmedo.
Experimento 1
En este caso, se enfría una corriente de aire no saturado. El calor que se obtiene al enfriar 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 alcanzar la temperatura termodinámica de bulbo húmedo). En este caso, podemos escribir el siguiente balance de energía por masa de aire seco:
Experimento 2
En el caso del termómetro de bulbo húmedo, imaginemos una gota de agua con aire no saturado soplando sobre ella. Mientras la presión de vapor del agua en la gota (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 provendrá 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 producirse una transferencia de calor por convección del aire a la gota. Además, la tasa de evaporación depende de la diferencia de concentración de vapor de agua entre la interfaz de la gota con la corriente y la corriente distante (es decir, la corriente "original", no afectada por la gota), y de un coeficiente de transferencia de masa por convección, que es una 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 que se pierde por evaporación es igual a la que se gana por convección. En este punto, se cumple el siguiente balance de energía por área de interfaz:
Tenga en cuenta que:
Reordenemos esa ecuación de la siguiente manera:
Ahora volvamos a nuestro experimento original de "bulbo húmedo termodinámico", Experimento 1. Si la corriente de aire es la misma en ambos experimentos (es decir, y son iguales), entonces podemos igualar los lados derechos de ambas ecuaciones:
Reorganizando:
Si entonces la temperatura de la gota en el Experimento 2 es la misma que la temperatura de bulbo húmedo en el Experimento 1. Debido a una coincidencia, para la mezcla de aire y vapor de agua este es el caso, siendo la relación (llamada relación psicrométrica ) cercana a 1. [7]
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 de bulbo húmedo termodinámica ("real").
Experimentalmente, el termómetro de bulbo húmedo da la lectura más cercana a la temperatura de bulbo húmedo termodinámica si:
En la práctica, el valor informado por un termómetro de bulbo húmedo difiere ligeramente de la temperatura de bulbo húmedo termodinámica porque:
A humedades relativas inferiores al 100 por ciento, el agua se evapora del bulbo, enfriándolo por debajo de la temperatura ambiente. Para determinar la humedad relativa, la temperatura ambiente se mide utilizando un termómetro común, mejor conocido en este contexto como termómetro de bulbo seco . A cualquier temperatura ambiente dada, una humedad relativa menor da como resultado una mayor diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo; el bulbo húmedo es más frío. La humedad relativa precisa se determina leyendo un gráfico psicrométrico de temperaturas de bulbo húmedo versus 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 del sol, en combinación con un termómetro de globo (que mide la temperatura radiante incidente ) para calcular la temperatura de bulbo húmedo (WBGT).
La temperatura de bulbo húmedo adiabática es la temperatura que tendría un volumen de aire si se enfriase adiabáticamente hasta la saturación y luego se comprimiese adiabáticamente hasta la presión original en un proceso húmedo-adiabático [ aclaración necesaria ] . [8] Tal enfriamiento puede ocurrir a medida que la presión del aire se reduce con la altitud, [ aclaración necesaria ] como se señala en el artículo sobre el nivel de condensación elevado .
Este término, tal como se define en este artículo, puede ser [ vago ] más frecuente en meteorología.
Como el valor denominado "temperatura de bulbo húmedo termodinámica" también se logra mediante un proceso adiabático, algunos ingenieros y otros pueden usar [ vagamente ] el término "temperatura de bulbo húmedo adiabática" para referirse a la "temperatura de bulbo húmedo termodinámica". Como se mencionó anteriormente, los meteorólogos y otros pueden usar [ vagamente ] el término "temperatura de bulbo húmedo isobárica" para referirse a la "temperatura de bulbo húmedo termodinámica".
"La relación entre los procesos isobáricos y adiabáticos es bastante oscura. Las comparaciones indican, sin embargo, que las dos temperaturas rara vez difieren en más de unas décimas de grado Celsius, y la versión adiabática es siempre la más pequeña de las dos para el aire no saturado. Como la diferencia es tan pequeña, en la práctica suele descuidarse." [9]
La depresión de bulbo húmedo es la diferencia entre la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo. Si hay 100% de humedad, las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo son idénticas, lo que hace que la depresión de bulbo húmedo sea igual a cero en tales condiciones. [10]
Los organismos vivos sólo pueden sobrevivir dentro de un cierto rango de temperaturas. 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 la hipertermia potencialmente fatal debido al estrés térmico. La eficacia del enfriamiento por evaporación depende de la humedad; la temperatura de bulbo húmedo, o cantidades calculadas más complejas como la temperatura de bulbo húmedo y globo (WBGT), que también tiene en cuenta la radiación solar , dan una indicación útil del grado de estrés térmico y son utilizadas por varias agencias como base para las pautas de prevención del estrés térmico.
Se ha pensado que una temperatura de bulbo húmedo sostenida que supere los 35 °C (95 °F) —teniendo en cuenta que el cuerpo necesita mantener una temperatura central de unos 37 °C— es probable que sea mortal incluso para personas sanas y en forma, desnudas a la sombra junto a un ventilador; a esta temperatura, el cuerpo humano pasa de emitir calor al medio ambiente a ganar calor de él. [11] [12] En la práctica, no siempre existirán condiciones ideales para que los humanos se refresquen; de ahí los altos niveles de mortalidad en las olas de calor de 2003 en Europa y de 2010 en Rusia , en las que las temperaturas de bulbo húmedo no superaron los 28 °C (82 °F). [13] 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 tasas metabólicas modestas que imitan las actividades básicas de la vida diaria era de aproximadamente 30,55 °C en ambientes húmedos de 36 a 40 °C, pero disminuía progresivamente en ambientes más cálidos y secos. [14] [15]
Un estudio de 2015 concluyó que, dependiendo de la extensión del calentamiento global futuro , algunas partes del mundo podrían volverse inhabitables debido a las letales temperaturas de bulbo húmedo. [16] Un estudio de 2020 informó casos en los que ya se había producido una temperatura de bulbo húmedo de 35 °C (95 °F), aunque durante demasiado poco tiempo y en una localidad demasiado pequeña como para causar muertes. [13]
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 bulbo húmedo de entre 82,0 °F (27,8 °C) y 92,0 °F (33,3 °C); las temperaturas de bulbo húmedo de 92,1 °F (33,4 °C) o más requieren que se cancelen todas las actividades al aire libre. [17] [18]
Las siguientes ubicaciones han registrado temperaturas de bulbo húmedo de 34 °C (93 °F) o más. [24] ( Las estaciones meteorológicas suelen estar en los aeropuertos, por lo que otras ubicaciones de la ciudad pueden haber experimentado valores más altos).
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. [25] [26]