15 dic. 2010

De la entropía y los procesos irreversibles. La bomba de calor.

Los científicos se han inventado una forma de calcular lo rápido que evolucionan los hechos, y que se puede aplicar a las reacciones químicas o a los fenómenos físicos. Algo parecido a conocer la inclinación de la carretera por la que vamos en bici. Se denomina variación de entropía.

Un proceso será más rápido cuanto más rápido se degrade la energía, o lo que es lo mismo, cuanto más incremente la entropía.

Cambiando el punto de vista, la forma de hacer que un fenómeno se acelere es degradando más energía.

En cambio, para optimizar el uso de la energía, lo que nos interesa es ralentizar los procesos.
(Ver sostenibilidad I, de los ritmos del equilibrio dinámico)

Ejemplos típicos: los coches consumen más si van más rápido; los frenos del coche se calientan más si frenamos a fondo. O podemos ir más rápido en bici por una pendiente más pronunciada.

Esto mismo se puede aplicar a fenómenos algo más complejos, por ejemplo en el estudio de la calefacción de una vivienda.

En casa nos gusta estar calentitos en invierno, para lo cual buscamos un equilibrio térmico dinámico: necesitamos introducir tanto calor en la casa como el que se escapa a través de las ventanas, las paredes, etc.

El calor tiende a ir de los sitios calientes a los fríos, de manera que siempre que el exterior de la casa esté a menor temperatura que el interior, estaremos perdiendo calor. Y cuanto más rápido se pierda, mayor incremento de entropía.

La forma más efectiva de optimizar la energía de calefacción de la casa es ralentizar las pérdidas de calor, incrementado el aislamiento de la casa. De esta forma no solo mejoramos el balance de entropía en la pérdida de calor, sino que además reduciremos el ritmo (la potencia) a la que tiene que funcionar la calefacción.

Hay un buen ejemplo de este incremento de entropía producido por las elevadas pérdidas de calor de las viviendas. Los centros de las grandes ciudades, en invierno, pueden estar 2 ó 3 grados más calientes que su entorno. Puede resultar cómodo, pero supone un cambio en el medio ambiente.

Pero existe otra forma, complementaria a la anterior. Supongamos que no podemos modificar el aislamiento de la casa, de manera que necesitamos, para compensar, introducir suficiente calor para mantener el equilibrio térmico interior.

Las formas más habituales de introducir ese calor en casa consisten en transformar otras formas de energía en calor: la energía química de la leña, o el carbón o el gas natural (quemándolos); o la energía eléctrica (en radiadores eléctricos). Esto supone utilizar energías de gran calidad para transformarlas en energía de baja calidad, por lo que se trata de procesos con un gran incremento de entropía y por lo tanto, poco eficientes.

Voy a explicar esto de la calidad de la energía con un ejemplo poco científico. Imaginad que queréis llenar un contenedor de basura. Para ello, ¿se os ocurriría comprar alimentos, cocinarlos y tirarlos directamente? Es un desperdicio utilizar materias primas útiles para obtener basura. Sería más rentable buscar algo barato, sencillo y abundante para llenar el contenedor.

Algo parecido ocurre con la energía. La energía mecánica, química o eléctrica tiene usos de gran calidad, y recurrir a ellas para calentar es como usar la comida de El Bulli de munición para el tirachinas.

Desde hace años, los humanos conocemos la manera de forzar al calor para moverse de sitios fríos a otros calientes. Esto supone mejorar su calidad (hacerlo un poquito más util), y no sale gratis.

De la misma manera que se puede bombear agua desde el fondo de un pozo hasta nuestra casa, podemos bombear calor desde un lugar frío a uno caliente.

¿Qué ocurre en una nevera? Que el calor se extrae del interior (frío) y se lleva al exterior (normalmente a través de una rejilla trasera, que está calentita). Lógicamente para eso debemos ‘gastar’ energía eléctrica, de la misma forma que una bomba de agua gasta energía eléctrica para subir el agua desde un punto bajo hasta uno más alto.

De la misma forma funciona una máquina de aire acondicionado, extrayendo el calor del interior y llevándolo al exterior, que está más caliente.

Este sistema de bombeo de calor es imprescindible cuando queremos enfriar algo, ya que el frío no se puede generar por sí mismo. Pero es igualmente posible calentar un objeto o un espacio utilizando el mismo sistema.

La eficiencia de este sistema de bomba de calor (sí, se llama así), depende de la temperatura inicial y de la temperatura final; exactamente igual que en una bomba de agua, que consumirá más si tenemos que elevar el agua a más altura.

Supongamos que queremos que nuestra a casa esté a 20ºC, mientras en el exterior está cayendo una helada de –5ºC. Una bomba de calor sería capaz de introducir en casa 1000w de calor gastando únicamente 170w de potencia eléctrica. El cálculo es un poco complejo pero lo pongo, por si a alguien le interesa:

(1/0,5)[COP] x 1 - ((273-5)K / (273+20)K) x 1000w = 170w.

Existen en el mercado sistemas de aires acondicionados ‘con bomba de calor’; el fabricante nos indica que el aparato no sólo permite extraer calor, sino también introducirlo en la casa.

Pero además de estos sistemas de aire acondicionado, que llevan calor del aire interior al exterior (y viceversa), existen máquinas para llevar calor del aire al agua (de los radiadores), o de la tierra al agua (sistemas geotérmicos), agua-agua (desde un río o lago), etc.

En resumen: Es MUCHO más eficiente mover el calor de una temperatura a otra que tirar energía útil simplemente para calentar. En casos habituales podemos llegar incluso a una eficiencia 5 veces mejor.

12 dic. 2010

De los tipos de energía y su deterioro: segundo principio de la termodinámica.

Últimamente se relaciona la sostenibilidad con la energía y su uso: utiliza la energía, no la gastes, y frases por el estilo.

Así que antes de ponerme a divagar sobre factores de eficiencia energética, he pensado en describir un poco qué es la energía, qué tipos de energía hay y cómo evoluciona.

La energía es la capacidad para realizar una acción. Aristóteles lo llamaría la acción en potencia (lo que no es, pero puede llegar a ser). Según teorías físicas no del todo descartadas (como díría Sheldon Cooper), la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Ahora bien, si la energía se transforma, ¿en qué formas nos la podemos encontrar? ¿y con qué criterios/normas/leyes se transforma?

Podemos hablar, fundamentalmente, de cuatro tipos de energía: la energía mecánica, la energía química y el calor.
   -la energía mecánica la podemos observar en los objetos y viene dada por su posición y su velocidad: un objeto que está a una altura determinada puede caerse (capacidad de realizar una acción, recordad), y si va a una determinada velocidad puede impactar con otra y moverla/romperla/etc.
   -la energía química depende de la estrutura interna del material. Los átomos o moléculas que la componen pueden encontrarse más o menos cómodos en su estado y siempre que pueden tienden a situaciones mejores (como tontos, los átomos). Al hacerlo, pueden llegar a provocar otras acciones. Un ejemplo típico de la energía química es la que se desprende al quemar algo (la combustión es una reacción química en la que ciertos átomos o moléculas se combinan con oxígeno porque así están más cómodos/as.)
   -la energía electromagnética es la transportada por las ondas homónimas (la luz, por ejemplo).
   -el calor es un tipo de energía 'residual', que hace vibrar los átomos o moléculas de la materia. Según la intensidad de esa vibración, hablaremos de que la materia está más fría o más caliente.

El planeta Tierra recibe energía electromagnética del sol y, para estar en equilibrio, debería desprender calor* al mismo ritmo.
Si el planeta desprende menos energía que la que recibe, se calentará. Y si desprende más que la que recibe, se enfriará. Hasta que el planeta empezó a sentir la influencia de la acción humana, tenía fases más frías y otras más calientes (períodos glaciares e interglaciares), pero se trataban de variaciones en torno a un punto de equilibrio estable (como la canica dentro del tazón, que aunque no esté en el fondo tiende a volver hacia él).

Y ahora, vamos con el intríngulis del tema: ¿cómo cambia la energía de una forma a otra, y con qué criterio?
Los físicos han estudiado el tema durante siglos, y sus conclusiones están resumidas en el segundo principio de la Termodinámica. Éste dice -sin entrar en tecnicismos-, que la energía tiende al desorden, tiende a perder calidad. Así, los diferentes tipos de energía se clasifican según su 'orden', o su calidad:
   -la energía mecánica es la más ordenada, porque se distribuye homogéneamente por objetos grandes.
   -la energía química se distribuye ordenadamente por cada molécula, es la 2ª más ordenada.
   -la energía electromagnética está en las ondas, de masa despreciable, sería la siguiente.
   -el calor no se sabe exactamente a qué tamaño de partícula afecta, pero se ha comprobado que es la de peor calidad.


Un balón que cae desde una estantería cambia su energía mecánica por posición (e.potencial), en energía de velocidad (e.cinética), al impactar con el suelo la cambia a energía de deformación (e.elástica), recupera energía de velocidad, la pierde y vuelve a tomar energía por posición, etc. En todo este proceso vemos cómo la energía del balón cambia de forma, pero también observamos que 'pierde' energía: cada vez los botes tienen menos altura, la velocidad a la que asciende o desciende es menor, el ruido en el suelo al botar no es tan fuerte, etc. Esto es debido a que una parte de la energía mecánica se está conviertiendo en calor a causa del rozamiento (con el aire, entre moléculas al deformarse en los botes,...) El rozamiento hace que una parte de la energía mecánica se transforme en calor, hasta que el balón pierde toda su energía y se para. Aquí se ve cómo la energía tiende a perder calidad, degradándose hasta convertirse en calor.

Dentro de cada categoría energética se pueden hacer subcategorías, pero únicamente voy a exponer cómo se distribuye la calidad en la energía calorífica (calor). Se dice que el calor, cuanto más frío, más desordenado.
Me explico, porque lo he puesto así a propósito. Igual que la energía mecánica tiende a convertirse en calor, el calor de un objeto caliente tiende a irse hacia los objetos fríos.

El segundo principio de la termodinámica, siendo muy complejo, simplemente indica el orden en el que ocurren las cosas, qué ocurre antes y qué ocurre después.

Para el próximo post, un poco de entropía, procesos irreversibles y cómo hacer que el calor vaya de un sitio frío a uno caliente.


*en realidad no es calor, es radiación e.m. consecuencia del calor.