¿Por qué los coches echan humo?
Hará un par de inviernos estaba llevando a mi hija de entonces 4 años al colegio. Ella, que está mucha más en este mundo que un servidor, observaba todo lo que había a su alrededor. Y cuando menos lo esperaba formuló una demoledora pregunta:
- Papá, ¿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 electrotecnia 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 veáis 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”
¿Os suena? Si cambiáis “fuerza motriz” por “energía” tenéis 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 fijaos 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.
¿Cómo explicar todo esto a mi hija de 4 años? Esa mañana en la que la llevaba al colegio era bastante húmeda, así que hice un poco de vaho y le dije:
- ¿Ves? yo también echo humo. Cualquier cosa que se mueve echa humo.
Y quedó satisfecha con la explicación. Ojalá, algún día, ella sepa también quién fue Carnot. Por el momento, ya sabe hacer vaho.
Fuentes:
“¡Esto es imposible!”, VVAA
“Biografía de la Física”, George Gamow
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/carnot/carnot.htm
http://www1.ceit.es/asignaturas/ecologia/hipertexto/07Energ/130EnNuclear.htm
El día 26 de octubre de 2006 a las 01:05
Yo le habría dicho, “es el humo de la gasolina que se quema” …
saludos
Mario
El día 26 de octubre de 2006 a las 01:10
Creo que hubiera sido mucho mejor
Salud!
El día 26 de octubre de 2006 a las 06:32
Esa mañana en la que la llevaba al colegio era bastante húmeda, así que hice un poco de vaho y le dije:
Tanto rollo con la termodinámica, los ciclos y demás, para al final cagarla de la forma más petulante.
Puedes hacer vaho, no porque haya humedad, sino por todo lo contrario, la humedad relativa es inferior al 100% y la temperatura ambiente es inferior a la del aire húmedo expelido de tus pulmones cae por debajo del punto de rocío al contacto con el exterior y condensa el exceso de humedad.
El día 26 de octubre de 2006 a las 06:55
muy bueno, como siempre.
El día 26 de octubre de 2006 a las 09:58
Buenos días.
¿Me dejas discrepar contigo en una cosa?, es cierto que Watt es el que ha pasado a la historia, pero no es el inventor propiamente dicho de la máquina de vapor.
En 1543 Blasco de Garay (marino español) ya intentó mover un barco mediante ruedas de palas movidas por una máquina de vapor y en 1721 Thomas Newcomen ya construyó una máquina de vapor atmosférica. Todo lo que hizo Watt fue cojer la máquina de Newcomen y desarrollar una cámara de condensación separada.
Precisamente acabo de contar un poquito de ellos (y otros) en
http://ingenieriayciencia.blogspot.com/2006/10/algunos-ingenieros-de-la-revolucin.html
Por lo demás estupendo, como siempre. He refrescado termodinámica y los ciclos de Carnot, Otto y Diesel.
El día 26 de octubre de 2006 a las 10:29
Mesieu Carnot: yo digo “esa mañana … era bastante húmeda” y tú dices “y condensa el exceso de humedad”. Parece que en algo coincidimos. Aunque si te ha parecido un rollo lo de los ciclos y demás, también esto debe parecértelo.
Muchas gracias ana.
Sophie Germain: tienes toda la razón y estás muy bien informado. Watt trabajaba arreglando esas máquinas y fue ahí donde vio la posibilidad de introducir esa mejora que dices, lo que la hizo viable económicamente. Y en este mundo la fama no se la lleva quien inventa algo, sino quien lo hace viable comercialmente. ¿Justo? ¿injusto? Cada uno tendrá su opinión.
Salud!
El día 26 de octubre de 2006 a las 12:21
Muy bueno, omalaled. Sobre todo la explicación que le has dado a tu hija, ya que la frase “todo lo que se mueve desprende humo” quedará grabada en su mente, ya que se la ha dicho su padre ante una importante pregunta.
Estoy seguro de que en el momento clave, la recordará y le será de utilidad
El día 26 de octubre de 2006 a las 12:50
1.- No puedes ganar
2.- No puedes quedar igual
3.- No puedes salirte del juego
No?
El día 26 de octubre de 2006 a las 12:58
Sí, chsl: esa es la esencia de la entropía
Salud!
El día 26 de octubre de 2006 a las 13:04
Qué iba a hacer yo sin Bill Bryson jejeje… y sin tu página, por supuesto
El día 26 de octubre de 2006 a las 14:23
De todo lo que hay en internet, realmente esta es LEJOS la pagina mas maravillosa que puede existir. La mejor manera de empezar una mañana de trabajo. Gracias
El día 26 de octubre de 2006 a las 16:19
leyendo el comentario de Sophie Germain me ha venido a la memoria un chiste que leí, no se dónde, hace algún tiempo.
“
Una profesor de historia le explica a los alumnos:
-Colón descubrió América en 1492..
a lo que Jaimito replica:
-América la descubrieron los vikingos!!
y la profesora contesta:
-Tienes razón Jaimito, lo que pasa es que después de descubrirla Colón, América permaneció descubierta”
Como siempre, felicidades por el post.
El día 26 de octubre de 2006 a las 17:46
Lo único que no he entendido es por qué los tres circuitos de las nucleares se llaman primario, secundario y terciario ;-p
El día 26 de octubre de 2006 a las 18:00
gamberro, tienes razón, ya digo que Watt es el que pasó a la historia, aunque la máquina de Newcomen “siguió descubierta”, jeje.
Y gracias a omalaled he añadido una nota en mi entrada de los ingenieros de la Revolución Industrial donde comento que Boulton y Watt, (gracias a sus patentes) casi impidieron el desarrollo de la tecnología del vapor a otros ingenieros.
El día 26 de octubre de 2006 a las 18:59
chsl: Buen libro el de Bill Bryson
Mauro: muchas gracias. Lo tomo como un cumplido.
Gamberro: haces honor a tu nickname
JdJ: sacaron los nombres después de muchas horas de reunión …
Sophie: hay un personaje que te encantaría y es Joseph Henry, que inventó el telégrafo y no lo pantentó, pero Morse tomó la idea y sí lo hizo (aquí diría alguna palabra malsonante, asíq ue me aguantaré). Haré una historia sobre Henry, si no os parece mal.
Salud!
El día 26 de octubre de 2006 a las 19:35
A ver ‘Mesieu Carnot’, cuando se hacen correcciones al maestro Omalaled hay que tener un poco de conocimiento. La humedad de la mñn ayuda, pq de lo contrario, en una mañana muy seca, el punto de rocío estara tan bajo que no provocaremos vaho al exhalar. Depende de la humedad del aire circundante y de la temperatura. O dicho de otra manera, una mañana poco fria con mucha humedad hara visible el vaho, y una mañana muy fria con poca humedad tambien.
El día 27 de octubre de 2006 a las 08:24
omalaled, sí, por supuesto haz la historia sobre Henry, estaremos atentos.
¿Sabes? tengo la sensación de que esto ha pasado muchas veces en la historia ¿no? Como dices en la entrada anterior, Marconi desarrolló la radio comercialmente pero por allí cerca estaban John Ambrose Fleming, Lee de Forest, Fesseden o David Sarnoff… Y lo mismo con el teléfono entre Bell y Antonio Meucci.
Hmmm, se me ocurre que en realidad hay determinadas épocas en las que el conocimiento científico-técnico está lo suficientemente maduro como para dar un nuevo salto y por eso aparecen varias personas desarrollando lo mismo al mismo tiempo.
Tendré que investigar un poco a ver si puedo justificar esa pequeña teoría. Tal vez escriba algo.
Gracias por todo.
El día 27 de octubre de 2006 a las 10:16
Comparto tu teoría. Tienes otro caso parecido con Newton y Leibnitz con el cálculo, o Mendeleyev que le fue de un pelo que se le adelantaran. Estoy de acuerdo contigo en que hay épocas en las que un descubrimiento sólo es cuestión de tiempo. Pero claro, eso no puede saberse a priori. También tienen que darse las circunstancias necesarias, o sea, como un puzle del que se tienen las piezas y se están encajando. Si faltan piezas no hay puzle que valga.
En la próxima historia (sobre las mutaciones) tres hombres llegaron en fechas muy cercanas al mismo resultado. Y hasta aquí puedo leer
Salud!
El día 28 de octubre de 2006 a las 16:17
Me gustaría saber si es el mismo fenómeno por el que los aviones dejan una estela en el cielo y si es saí porqué unas veces la dejan y otras no.
Un saludo.
El día 28 de octubre de 2006 a las 22:50
A grandes rasgos: cuando un avión corre por allá arriba sus moteres desprenden tanto calor que el vapor de agua existente condensa en gotitas formando la nube que ves. Si hay mucha humedad, ves esa estela; pero si hay poca humedad no deja apenas nada. Es así a grandes rasgos.
Salud!
El día 29 de octubre de 2006 a las 09:48
Gracias mil.
El día 29 de octubre de 2006 a las 22:43
“A grandes rasgos: cuando un avión corre por allá arriba sus moteres desprenden tanto calor que el vapor de agua existente condensa en gotitas formando la nube que ves. Si hay mucha humedad, ves esa estela; pero si hay poca humedad no deja apenas nada. Es así a grandes rasgos.
Salud!”
Pues yo había entendido que era por causa del frío por lo que condensaba la humedad existente, no por el intenso calor que desprenden los motores del avión. Dicho de otro modo, que la respuesta debería ser que los motores desprenden vapor de agua que condensa por las bajas tempetaruras de la estratosfera.
El día 29 de octubre de 2006 a las 23:49
Lo he mirado en la wikipedia y por otros sitios y, aunque parecido, pues en el fondo es una condensación, yo estaba equivocado.
Efectivamente, el agua que se genera en los reactores es la responsable de ello junto al frío lo que hace que condense en gotitas. Y no es por la humedad ambiente que es como yo pensaba.
Muchas gracias, manirroto, por abrirnos los ojos.
Salud!
El día 1 de noviembre de 2006 a las 22:59
De todos modos, gracias a los dos