Temperatura

La temperatura es una medida de la energía calorífica presente en una sustancia, sea esta sólida, líquida o gaseosa. El calor, a su vez, es energía que se manifiesta como vibración molecular de una sustancia o como radiación electromagnética. En términos simples podemos afirmar que el calor es el fenómeno, mientras que la temperatura es una forma de medirlo.

De acuerdo al Sistema Internacional de Unidades la temperatura se mide en kelvin (K), aunque en el ámbito científico y en la meteorología es común el uso del grado Celsius (°C). Como unidades de medida son equivalentes, pero se diferencian por sus respectivas escalas. La escala kelvin se emplea para establecer la temperatura absoluta y por lo tanto inicia en el cero absoluto, el cual representa el punto en el que los átomos y moléculas de cualquier sustancia tienen la menor cantidad posible de energía térmica. El valor 0 de la escala Celsius, por otro lado, corresponde aproximadamente a la temperatura de congelamiento del agua (cuando esta se encuentra sometida a una presión de 1 atmósfera), lo cual ocurre a los 273.15 K. Dicho en sentido inverso, el cero absoluto de la escala kelvin equivale a -273.15°C. Es frecuente que de manera coloquial los grados Celsius se denominen grados centígrados, aunque éste término no se considera adecuado en el ámbito científico para indicar valores de temperatura (se trata de evitar confusiones con el grado centígrado, o centesimal, que se emplea como medida angular).

En algunos países se suele usar el grado Fahrenheit (°F), en lugar del Celsius, como medida de temperatura. La diferencia fundamental entre ambas medidas es la forma en que se define su escala. Mientras los valores 0 y 100°C corresponden aproximadamente a las temperaturas de congelamiento y ebullición del agua, los valores 0 y 100°F se derivan de las temperaturas de congelamiento y ebullición de una mezcla de cloruro amónico y agua. La equivalencia entre ambas medidas se puede establecer mediante las siguientes fórmulas:

Temp. °C = (Temp. °F - 32) * 1/1.8
Temp. °F = (Temp. °C * 1.8) + 32

La temperatura es quizá el factor ambiental más importante, dada su enorme influencia en la sensación de confort del ser humano. Si bien cuando se habla de la temperatura como factor ambiental lo primero que viene a nuestra mente es la temperatura del aire, debemos hablar por lo menos de cuatro "tipos" de temperatura que resultan de gran importancia en el campo de la meteorología y/o en el análisis térmico de edificios: de bulbo seco, de bulbo húmedo, radiante media y operativa.

Temperatura de bulbo seco

La temperatura de bulbo seco, o simplemente temperatura seca, mide la temperatura del aire sin considerar factores ambientales como la radiación, la humedad o el movimiento del aire, los cuales tienen el potencial de afectar significativamente la sensación térmica.

Uno de los instrumentos más empleados para medir la temperatura seca es el termómetro de mercurio, el cual consiste en un delgado tubo de vidrio cuya base, con forma de bulbo, contiene un depósito de este metal semilíquido. El conjunto se encuentra herméticamente sellado para mantener un vacío parcial en su interior. Gracias a su gran capacidad de dilatación el mercurio asciende por el tubo conforme aumenta la temperatura, haciendo posible la medición de esta última mediante una escala graduada. El termómetro de mercurio se expone directamente al aire, pero se protege de la humedad y de la radiación solar. Debido a que el mercurio es de color blanco brillante, por otro lado, se considera lo suficientemente reflectante para evitar casi por completo la absorción del calor radiado por los elementos del entorno. Cuando se cumplen todas estas condiciones, el termómetro de mercurio indica de manera relativamente precisa la temperatura seca del aire.

Debido a la toxicidad del mercurio, recientemente la Unión Europea prohibió la fabricación de termómetros con este metal. En su lugar se incentiva el uso de líquidos con propiedades de dilatación similares, como el alcohol o el éter. Por otro lado es importante mencionar que existen otros tipos de termómetros para medir la temperatura de bulbo seco:

  • Termómetro de resistencia. Emplea materiales cuya resistencia eléctrica cambia con la temperatura, generalmente óxidos de metales transitorios como el magnesio, el cobalto, el cobre o el níquel.
  • Termómetro de gas. Se basa en las variaciones de presión de determinados gases, de acuerdo a su temperatura.
  • Termómetro de lámina bimetálica. Se basan en la expansión diferencial, debida a la temperatura, de dos láminas enrolladas con coeficientes de dilatación muy distintos.
  • Termopar. Emplean la fuerza electromotriz que se genera al aumentar la temperatura de la soldadura de dos metales distintos.
  • Termómetro digital. Incluye un microchip incorporado a un circuito eléctrico, el cual es sensible a los cambios de temperatura.

Temperatura de bulbo húmedo

La temperatura de bulbo húmedo, o simplemente temperatura húmeda, representa una forma de medir el calor en un sistema en el que interactúan un gas y un vapor, generalmente aire y vapor de agua. En el campo de la meteorología, dicho en términos más llanos, es un valor de temperatura que toma en cuenta el efecto de la humedad ambiental y el correspondiente potencial de evaporación.

Generalmente la temperatura de bulbo húmedo se mide mediante un termómetro normal ubicado a la sombra, pero con su bulbo envuelto por una mecha de algodón (o un material poroso y absorbente similar) cuya parte inferior se encuentra sumergida en un recipiente con agua. Con ayuda de un ventilador el sistema se expone a un flujo constante de aire de aproximadamente 3 m/s, lo cual provoca que el agua que asciende por capilaridad a lo largo de la mecha se evapore con relativa facilidad. Los procesos de evaporación generan absorción de calor, lo cual hace que el bulbo se enfríe paulatinamente. La temperatura del bulbo desciende hasta que el aire que lo envuelve (contenido en los poros de la mecha) se satura por completo. Se obtiene entonces, en el termómetro, un valor que representa la temperatura de bulbo húmedo.

Cuando el aire se encuentra por debajo del nivel de saturación, es decir, cuando la humedad relativa es inferior al 100%, la temperatura de bulbo húmedo siempre es menor a la temperatura de bulbo seco. En ese sentido la temperatura de bulbo húmedo expresa de manera indirecta la humedad ambiental, ya que mientras menor es la humedad relativa del aire más fácilmente se evapora el agua y más intensos son los procesos de pérdida de calor. Esto significa también que en los climas secos la diferencia relativa entre las temperaturas simultáneas de bulbo seco y bulbo húmedo es siempre mayor que en los climas húmedos. Por otro lado, la diferencia entre ambas temperaturas es un indicativo del potencial de los sistemas de enfriamiento evaporativo: si la diferencia es grande estos sistemas suelen ser bastante eficientes, si es muy pequeña su eficiencia disminuye drásticamente.

Temperatura radiante media

La temperatura radiante media representa el calor emitido en forma de radiación por los elementos del entorno, por lo general en espacios interiores. Técnicamente se define como la temperatura radiante uniforme de un recinto negro ideal que produciría, en las personas, las mismas pérdidas o ganancias de calor que el recinto real. Así, el término "media" indica el promedio de calor radiante emitido por todas y cada una de las superficies que conforman el recinto. Cuando este parámetro se calcula como parte de las condiciones ambientales generalmente se asume como referencia el punto central del recinto.

La temperatura radiante media se puede establecer a partir de la temperatura de todas las superficies interiores del recinto (piso, paredes y techo) y de los factores de ángulo entre el punto de medición y dichas superficies. Sin embargo, ya que el valor obtenido puede variar significativamente en función de la geometría, orientación y emisividad de las superficies, así como de la posición del punto de medición, este método resulta bastante complejo. Debido a ello en la práctica se suele medir, de manera aproximada e indirecta, a partir de la temperatura de bulbo seco, la temperatura de globo y la velocidad relativa del aire.

La temperatura de globo se obtiene mediante un termómetro cuyo bulbo se encuentra dentro de una esfera de cobre de espesor fino, pintada de color negro humo para maximizar la absorción de radiación infrarroja. El valor obtenido con este dispositivo es una manifestación del balance entre el calor ganado o perdido por radiación y el calor ganado o perdido por convección. La temperatura de globo es entonces aquella en la que se logra el equilibrio entre las pérdidas y ganancias de calor. Si la velocidad relativa del aire es muy reducida la temperatura de globo tiende a ser similar a la temperatura radiante media.

Cuando la diferencia entre la temperatura de globo y la temperatura de bulbo seco no es muy grande, es posible emplear la siguiente fórmula para calcular la temperatura radiante media:

Donde:
TRM = Temperatura radiante media (°C)
Tg = Temperatura de globo (°C)
Ta = Temperatura seca del aire (°C)
V = Velocidad relativa del aire (m/s)

Por ejemplo, si la temperatura de globo es de 29.2°C y la del aire de 26.3°C, dada una velocidad relativa del aire equivalente a 0.3 m/s, obtendremos una temperatura radiante media de 32.2°C.

La temperatura radiante media no es un parámetro incluido en los reportes climáticos, ya que obviamente depende de las características físicas de cada ambiente particular. Sin embargo tiene un uso muy amplio en el análisis térmico de los edificios y en el cálculo de algunos índices de confort.

Temperatura operativa

En términos prácticos, la temperatura operativa representa el valor medio de la temperatura seca del aire y la temperatura radiante media dentro de un recinto. Este criterio es válido sobre todo si la velocidad relativa del aire es baja (< 0.2 m/s) o si la diferencia entre la temperatura seca del aire y la temperatura radiante media es reducida (< 4°C). Si se requiere un cálculo más detallado se puede emplear la siguiente fórmula:

To = (A * ta) + [(1- A) * trm]

Donde:
To = Temperatura operativa.
A = Valor que está en función de la velocidad relativa del aire:
Cuando la velocidad relativa del aire < 0.2 m/s, A = 0.5
Cuando la velocidad relativa del aire > 0.2 m/s y < 0.6 m/s, A = 0.6
Cuando la velocidad relativa del aire > 0.6 m/s y < 1.0 m/s, A = 0.7
Ta = Temperatura del aire.
TRM = Temperatura radiante media.

La temperatura operativa no es un valor empleado para definir las condiciones meteorológicas o las características climáticas de un sitio, pero se usa frecuentemente en el análisis del desempeño térmico de los edificios y en el cálculo de algunos índices de confort. Suele representar de manera más fidedigna la temperatura "sentida" por una persona en el interior de un recinto. Este parámetro nos ayuda a entender, por ejemplo, porqué una persona ubicada dentro de un espacio cuyos cerramientos tienen una temperatura relativamente elevada se siente incómoda aun cuando la temperatura del aire sea la adecuada.

 

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