30 nov. 2010

¿Por qué los coches echan humo?


 Hace algún tiempo uno de mis alumnos me formuló una demoledora pregunta:

- Profe, ¿por qué los coches echan humo?

En aquel momento pasaron por mi cabeza muchas cosas, incluidos los principios de la termodinámica; pero el primer pensamiento fue para un hombre llamado Nicolas Léonard Sadi Carnot y es el personaje central de nuestra historia de hoy.

La Historia es siempre agradecida con los inventores pero no siempre lo es con el responsable de una revolución científica. A todo el mundo le suena James Watt, el inventor de la máquina de vapor. Pero, ¿Carnot? Si has estudiado el ciclo de Carnot, evidentemente, sí; pero en caso contrario, ¿es tan conocido como Watt?

Pues bien, de la máquina de vapor, que en principio sólo se utilizaba para achicar agua, Carnot fundó una ciencia: la Termodinámica.

Primero, dejadme dar una pincelada teórica del funcionamiento de las máquinas térmicas. Por ejemplo, una central de producción de energía no es más que un foco caliente y un foco frío. En el foco caliente podemos calentar agua hasta evaporarla. El vapor caliente tenderá a expandirse e ir al foco frío así que hacemos una tubería entre dichos focos por el que circulará el vapor a presión. Dentro de esa tubería ponemos un eje con unas palas (álabes) con unas curvas especialmente diseñadas para que ese movimiento del vapor haga que gire. Hemos obtenido trabajo mecánico de una diferencia de temperaturas. Ahora le enchufamos unos cuantos cables e imanes y a cobrar recibos por la electricidad generada. Es básicamente eso aparte de cuatro complicaciones ingenieriles.

Cuatro complicaciones … ¡eh!, ¡oh! … ¡muchas más de cuatro! Siempre recordaré un comentario de cierto profesor de electromagnetismo del que decíamos que vivía en una torre de alta tensión. Un día fui a hacerle una pregunta, una duda que tenía. Me dijo que un generador es una máquina síncrona. El eje de una central productora de electricidad debe girar a 3000 rpm “por narices”. Y es realmente complicado. Si hay mayores consumos, se verá frenado y querrá girar más despacio y si, por el contrario, hay menos consumo acelerará fácilmente. En realidad, el eje del generador es una cosa realmente pequeña y todo el resto de la central sólo está para que gire a esas 3000 rpm. En fin, es una parte de esas cuatro complicaciones ingenieriles.

Los problemas energéticos que tanto salen por TV vienen derivados de cómo obtener esos focos frío y caliente. El frío es relativamente sencillo: el mar, un río, aquellas torres de refrigeración tan características de las centrales nucleares (el humo que a veces vemos no es más que vapor de agua), etc.; y el caliente quemando petróleo, carbón, porquería o combustible nuclear. Estas últimas, las nucleares, son algo más complejas. Tienen tres circuitos: primario, secundario y terciario. En el primario, el foco caliente es el material radiactivo y el foco frío es el caliente del secundario. El secundario, en el que está la turbina generadora, tiene como foco frío el caliente del terciario. El frío del terciario es el río, el mar o la torre de refrigeración.

Pero me estoy desviando del tema. Lo que quiero que veámos es que es absolutamente necesaria una diferencia de temperaturas para poder obtener un trabajo mecánico. Si ambos extremos del tubo por el que hacíamos pasar el vapor estuvieran a la misma temperatura, se acabó el movimiento. A grandes rasgos, cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la violencia con la que corre el vapor y mayor podrá ser la potencia de giro de ese eje generador.

Y ahora volvamos a Carnot. Era un apasionado de la máquina de Watt y se hizo curiosas preguntas sobre ella: ¿es la mejor máquina que puede construirse? ¿es la forma más eficiente de transformar calor en trabajo? ¿es posible mejorar la máquina de vapor ilimitadamente? ¿cuál es el mayor rendimiento que puede obtenerse de un motor térmico? ¿depende de la sustancia con la que el motor funciona?

Unas preguntas interesantísimas. No se refería a mejoras técnicas. Estaba pensando de forma abstracta, en máquinas ideales. Trataba de saber de forma mental qué tenía que hacer esa máquina y para ello ideó un ciclo termodinámico (al que hoy llamamos ciclo de Carnot) en el que hay dos procesos isotérmicos (a temperatura constante) y dos procesos adiabáticos (sin cesión ni ganancia de calor).

Según este ciclo, una máquina que operara entre 160ºC y 40ºC produciría unos 27.000 millones de julios por tonelada de carbón quemada. Ese es el trabajo necesario para levantar un peso de 27.000 millones de kilos un metro de altura. Eso, evidentemente, no es así en el mundo real.

Carnot midió el rendimiento de las mejores máquinas inglesas de la época y vio que sólo producían un 5% de esa cantidad. El problema es el siguiente: se da calor y se devuelve trabajo pero se necesita mucho calor para obtener poco trabajo. ¿Por qué se estaba tan lejos del ideal teórico? ¿Era posible hacer una máquina perfecta?

Imaginemos que fuera posible hacer dicha máquina perfecta y dispusiéramos de un foco frío y otro caliente y obtuviéramos todo el posible trabajo mecánico en un eje que gira. Como somos tan buenos, ahora podríamos invertir el proceso, es decir, transformar ese trabajo mecánico (haciendo girar el eje otra vez gracias al trabajo almacenado anterior) para dejarlo todo como estaba (hemos quitado calor del foco frío y lo hemos cedido al caliente). Tenemos una máquina funcionando en un sentido y luego en otro sin parar y al final las cosas están como habíamos empezado. Hemos logrado un eje girando a cambio de nada. A eso se le llama móvil perpetuo de segunda especie. El segundo principio de la termodinámica lo prohíbe expresamente.

Cuando aplicó su ciclo a un gas ideal (básicamente las partículas que lo componen son perfectas y maravillosas), hizo ecuaciones y obtuvo unas conclusiones impresionantes:

1.- El rendimiento de un ciclo de Carnot depende exclusivamente de las temperaturas de los focos frío y caliente.

2.- El rendimiento de un ciclo cualquiera es inferior al de una máquina ideal de Carnot.

La afirmación “es imposible convertir calor en energía mecánica sin tener más calor cayendo desde un lugar caliente a un lugar frío” se conoce como segunda ley de la termodinámica. Esto es equivalente a decir que el calor no fluye por sí mismo de un foco frío a un foco caliente. Esto, que parece una perogrullada, es la razón por la que necesitamos enchufar un frigorífico.

Pero profundizó mucho más con las consecuencias de su análisis:

“Así pues, se puede enunciar la tesis general: la fuerza motriz existe en la naturaleza en una cantidad invariable; ella, propiamente dicho, nunca se crea y nunca se aniquila; en realidad, cambia su forma, es decir, provoca bien una forma de movimiento, bien otra, pero jamás desaparece”

¿Les suena? Si cambias “fuerza motriz” por “energía” tienes el principio de conservación de la energía que, en el fondo, no es más que la primera ley de la termodinámica.

Y todo esto antes de 1824 y con menos de 28 años de edad. Faltaban casi 20 años para que se empezara a hablar del concepto “conservación de la energía“. Cuando quiso publicar sus ideas “Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esa fuerza” en Anales de Poggendorff (más tarde Anales de la física) su editor y propietario, John Christian Poggendorff, se lo rechazó. Tuvo que publicarlo en forma de libro pagando la edición de su propio bolsillo.

Ese libro está repleto de ideas capitales para entender el funcionamiento de las máquinas térmicas. Ni los ingenieros ni los científicos hicieron el menor caso y lo catalogaron como un texto de segunda. Hoy es de básico conocimiento tanto para ingenieros como para científicos.

Este hombre, solito, había deducido los dos primeros principios de la termodinámica. Y fijos que este es uno de aquellos casos en la historia que brillan con luz propia: no existían trabajos anteriores ni se apoyó en algo conocido sino que creó de la nada un nuevo campo de investigación. Faltaron 25 años para que otro científico llegara a sus mismas conclusiones

Murió en 1832 de cólera. Sólo tenía 36 años. Sus notas fueron publicadas 46 años después de su muerte por su hermano.

Sus trabajos cayeron en el olvido hasta que rescatados por el ingeniero ferroviario francés Émile Clapeyron pero fue Rudolf Julius Emmanuel Clausius quien descubrió un poco por azar los trabajos de Carnot e introdujo en 1865 el concepto de entropía que dejaremos para otra historia.


Fuentes:
“¡Esto es imposible!”, VVAA
“Biografía de la Física”, George Gamow

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