Vaya, he llegado tarde...
En esta nueva serie a la que le tenía muchas, pero muchas ganas, voy a intentar conseguir tres cosas.
- La primera, que cuando alguien lea cada capítulo esté algo menos confundido y con las ideas algo más claras que antes, en lo que a termodinámica se refiere. Eso se puede conseguir más o menos fácilmente. Y si no lo consigo es sólo culpa mía.
- La segunda, enlazar en cada momento termodinámica con ejemplos de aplicación a la economía real, especialmente todo lo que se relacione con desenmascarar estafas en el ámbito de los milagros energéticos.
- La tercera, no escribir ni una sóla fórmula. Esto último no es fácil, ni siquiera Stephen Hawking se resistió al escribir su best-seller Una breve historia del tiempo, y tuvo que incluir la que pensó era la más importante en toda la historia de la física. Yo voy a hacer lo mismo y con la misma fórmula para que no me entre la tentación de poner alguna más. Y a ver si así, de paso, se me pega algo del tremendo coco que tiene el Tito Estéfano.
E=mc²
La fórmula que genialmente dedujo Einstein no tiene nada que ver con la termodinámica, hala, pero me gusta recordarla precisamente ahora por una razón muy poderosa. Y es que el considerado científico más genial del siglo XX, sin haber llegado a trabajar directamente con esta disciplina, estaba enamorado de ella:
Una teoría es tanto más grandiosa cuanto mayor es la sencillez de sus premisas (…) De aquí la profunda impresión que produjo en mi la Termodinámica. Es la única teoría universal que (…) estoy convencido que jamás será desechada.
La termodinámica es la única teoría física de contenido universal que, en el marco de la aplicabilidad de sus conceptos básicos, estoy convencido de que nunca será destruida.
Albert Einstein.
Einstein no hacía sino rendirse incondicionalmente a la potencia y versatilidad de la Termodinámica. Esta Ciencia lo mismo sirve para describir flujos de calor, que igual se aplica directamente en neumática, reacciones químicas, motores, centrales eléctricas, procesos de combustión, cambios de fase... e incluso para entender mejor los agujeros negros, ahí es nada.
Se considera que las Leyes y Principios de la Termodinámica son las leyes más sólidas de toda la física, que es lo mismo que decir de toda la Ciencia. Sus preceptos, al contrario que ocurrió con otras muchas disciplinas, no tuvieron un origen teórico, sino puramente empírico. Es decir, son el producto de millones de experiencias y experimentos, y se consideran auténticos pilares de la física sin los que esta se derrumbaría sin remedio. Si algún día se demostrara equivocado o no válido en algún medio algún principio de la Termodinámica, toda nuestra ciencia moderna se tambalearía y nos veríamos radicalmente abocados a prepararnos para una nueva interpretación de este Universo. Su descubridor tendría automáticamente el premio Nobel al día siguiente y se le dedicarían estatuas en todas las Universidades.
Quizás es ese desafío eternamente pendiente el que lleva a tantas y tantas personas a buscar, infructuosamente claro, el móvil perpetuo, entre otros conceptos vetados por la Termodinámica
Desenmascar estafas energéticas es divertido... y ayuda a ahorrar mucho dinero.
Los químicos de la Edad Media dedicaban muchas más energías a la alquimia de convertir el plomo en oro en lugar de aplicar los rudimentos del Método Científico, método que ya se empezaba a intuir antes de su formulación en la Edad Moderna por Descartes. Para explicar los fenómenos de la Naturaleza recurrían mucho más frecuentemente a la magia y a la superchería que a la Razón. Pero esa "moda" no murió con el Siglo de las Luces. Os sorprendería saber cuantos inventores y fabulistas siguen empeñados en encontrar la solución al problema energético mundial mediante la violación sistemática y sin rubor de los Principios de la Termodinámica. Sus tonterías son ampliamente distribuidas hoy día gracias a internet y a una legión de magufos que prefieren creer a comprobar.
Yo mismo he asistido a alguna que otra demostración en vivo de la enésima solución al problema energético de la humanidad. Por supuesto, siempre había imanes, baterías ,cables escondidos o algún dispositivo de estilo dudoso para trucar el funcionamiento de la máquina en cuestión. A veces no había ni siquiera mala intención, tan sólo una absoluta falta de humildad por parte del inventor. Otras veces se trataba simplemente de esquizofrenia, megalomanía o algún otro tipo de enfermedad psicológica que no permitía al inventor en cuestión percatarse de sus errores y anulaba toda capacidad de autocrítica. Pero la mayoría de las veces se trataba simplemente de estafas.
Os sorprendería saber cuanto dinero he visto desperdiciarse en busca de una máquina arreglatodo que manda al guano a la Termodinámica más básica., máquinas que yo tardaba dos segundos en saber que no eran posibles. Recuerdo especialmente un caso de 300.000 euros, íntegramente abonado por uno de los dos gigantes mellizos financieros españoles. Si me hubieran contactado antes se habrían ahorrado ese dinero, pero si no me hubieran llamado, habrían perdido probablemente tres millones más. Aún recuerdo la cara que puso el que aprobó el due dilligence del bichejo en cuestión cuando le vino un ingeniero imberbe a decir "la has cagado, chaval".
Otras veces los intentos de estafa se acometen con un simple papel, una patente o un estudio firmado por algún exótico doctor. Ojo, la obtención de una patente no implica nunca que el dispositivo funcione, mucho cuidado con estos "documentos de legitimidad". En esta modalidad de estafa se va blandiendo el papelito, maquetas de todo tipo, mucha labia y un piquito de oro por todas las administraciones, grandes empresas energéticas y bancos más importantes atacando directamente al músculo más potente de la humanidad, la ambición, para obtener, supuestamente, el dinero necesario para construir una planta piloto o un prototipo que solucionará los males de la humanidad. Se suelen pedir cantidades de entre 500.000 y tres millones de euros. En estos casos lo que suelo hacer es realizar una reducción al absurdo que da al traste con la petición, un razonamiento del estilo "yo soy capaz de demostrarlo con 3.000 euros, ¿para que necesitas mil veces más dinero?"
Al día siguiente buscan otra presa, yo soy demasiado duro de roer. Putos ingenieros, que creídos son... Esta es la era de internet donde todo es posible. Clausius y Kelvin han muerto, ¿qué se habrá creído?
Pero no necesitáis ser especialistas en energía para ver estos inventos, no. En internet abundan los ejemplos risibles. Youtube es un festival del humor. Horas y horas de diversión aliñadas con norias, poleas,baterías e imanes, os aguardan. Disfrutadlo mientras coméis bolsas y más bolsas pipas de girasol. Os vais a indigestar, os lo aseguro.
Estos ejemplos demuestran que, pese a su importancia, la Termodinámica es quizás la Ciencia menos conocida por el ciudadano de a pie, en parte por su complejidad conceptual. Y sin embargo, dado el volumen de dinero, esfuerzo y sufrimiento que podría evitar, creo que merece la pena, y mucho, invertir algo de tiempo en tratar de entenderla. O, en su defecto, contar con profesionales que saben que el coche nunca andará con agua por más que la Magufosfera se niegue a echar unos numerilos.
Voy a explicar de que va esta Ciencia que toma su nombre, como no puede ser de otra forma, del griego, (fuerza [dýnamos] del calor [thermos]) para torpes y tratando de no perder de vista la pasta. Para que todos lo disfrutemos y no la temamos nunca más, rendíos a su inmenso poder, oh pobres mortales.
Para ello empezaré disparando a bocajarro y yéndome directamente al hueso más duro de roer, a la bestia negra de todo estudiante de Ciencias. Hablaremos de este principio constantemente durante todas las entregas de la serie, no le tengáis miedo. Es bello como él solo, la quintaesencia del Universo, la perfección del Cosmos echa entropía.
El Segundo Principio de la Termodinámica
¡¡¡Nooooooooooooooo, el Segundo Principio nooooooooooooo!!!
En lo que sigue, y en aras de la simplicidad que busco (que los físicos e ingenieros de Rankia me perdonen la vida) voy a saltarme conceptos esenciales en la formulación de la Termodinámica, como "estados de equilibrio", "variables de estado" y demás zarandajas que pertenecen a un plano más conceptual que práctico.
La segunda ley de la termodinámica es, sin lugar a dudas, una de las leyes más perfectas de la física. Cualquier violación reproducible de la misma, por pequeña que sea, supondría grandes riquezas para el descubridor, así como un viaje a Estocolmo. Los problemas energéticos del mundo se resolverían de un plumazo. No es posible encontrar ninguna otra ley (excepto, quizás, las reglas de súperselección, como la conservación de la carga) para las que una violación propuesta generase más escepticismo que en este caso. Ni siquiera las leyes de Maxwell de la electricidad o la ley de gravitación de Newton son tan sagradas, para cada una de las cuales tiene correcciones mensurables que provienen de los efectos cuánticos o de la relatividad general.
Ivan P. Bazarov (1916-2005), físico ruso.
Se han escrito demasiadas chorradas sobre el Segundo Principio. Cosas como que si ordenas tu habitación se está desordenando la de tu amigo o que el destino del Sistema Solar es morir de frío porque la entropía no tiende sino a crecer todo el tiempo.
La entropía. que palabreja, que miedo da, ¿verdad?
El Segundo Principio tiene varios enunciados válidos (sí amigos, la termodinámica es difícil de explicar con una sola frase, hace falta demasiado sentido común). Quizás el que eres capaz de leer cien veces o más, sin entender nada de nada, es este:
En un estado de equilibrio, los valores que toman los parámetros característicos de un sistema termodinámico cerrado son tales que maximizan el valor de una cierta magnitud que está en función de dichos parámetros, llamada entropía.
Ahí, con un par. Sánscrito puro.
A mí me costó años enterarme de que iba esta frase. Y no es que no lo intentara, de hecho a esta asignatura le dediqué mucho, pero mucho esfuerzo; la odiaba con todas mis ganas. Yo sólo veía desfilar "chorizos" de fórmulas en la pizarra que no tenían equivalencia con la realidad. En un arrebato, juré que JAMÁS me dedicaría a estudiar nada que sonara a "energía", jamás...
La termodinámica es un asunto cómico. La primera vez que la estudias, no la entiendes de ninguna manera. La segunda vez que la estudias, piensas que la entiendes, menos uno o dos pequeños puntos. La tercera vez que la estudias, sabes que no la entiendes, pero para entonces ya estás tan acostumbrado que no te molesta más.
Arnold Sommerfeld (5 de diciembre de 1868 – 26 de abril de 1951), físico alemán.
Sudé sangre para superarla y, una vez lo hice, como pasa con las novias despechadas, es cuando empecé primero a entenderla, después a respetarla, y luego a amarla profundamente.
Recuerdo que fue al leer un libro que hablaba colateralmente sobre termodinámica (buf, otro tostón, pensé). Entonces entendí que el Sistema Solar no habría de morir de empacho de entropía,que había una singularidad en su centro geométrico que lo impediría al menos por los 5.000 millones de años siguientes. Que sin esa singularidad no tendríamos nada que hacer aquí.
El Sol, por supuesto. Él es el responsable de que estemos temporalmente, durante unos poco miles de millones de años, dándole cortes de mangas al Segundo Principio y riéndonos en su cara. No es que hayamos vencido, es sólo que él tiene más paciencia y está dispuesto a esperarnos todo el tiempo que haga falta para alcanzarnos. Pero mientras tengamos al Sol tendremos al primo de Zumosol con nosotros.
Ains.
Pero no todo van a ser sentencias en sánscrito. El Segundo Principio se puede entender de una forma mucho más sencilla y también tremendamente práctica: El enunciado de Kelvin-Planck.
Es imposible construir una máquina que, operando en un ciclo, produzca como único efecto la extracción de calor de un foco y la realización de una cantidad equivalente de trabajo.
Según el Segundo Principio, es de todo punto imposible convertir todo el calor Q cedido por un foco caliente en trabajo (W).
Se podría expandir esta frase para hacerla más amigable:
Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir, que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo, siempre será menor a la unidad, y ésta estará más próxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.
Una máquina térmica convierte parte del flujo de calor Qc que proviene de una fuente caliente a temperatura Tc en energía en forma de trabajo (W) y cede una cantidad menor de calor Qf al ambiente frío a temperatura Tf. El rendimiento de la máquina es W/Qc. Créditos de este diagrama y siguientes.
Vaya, qué facil, ¿no? Entonces el Segundo Principio sirve en parte para entender que si alguien nos ofrece una máquina que convierta TODA la energía en forma de calor en otro tipo de energía cualquiera (esta energía se denomina "trabajo", ver nota al final para entender que es esto del trabajo *), ¿nos estará timando?
En efecto, un timo en toda regla.
En realidad, el Segundo Principio tiene muchas más variantes y da acceso a muchas más interpretaciones de la realidad, pero podemos aprovechar en este punto para sentar ya varios enunciados enerconómicos que nos ayudarán en nuestro día a día como inversores, analistas o simplemente estudiosos de empresas y personajes que prometen el oro y el moro.
Enunciado enerconómico #1
Todo supuesto inventor que nos ofrezca un dispositivo capaz de transformar todo el calor en trabajo útil, por ejemplo electricidad, sólo puede ser un loco, un tonto o un timador.
A su vez, dependiendo de la insistencia y ganas que le eche el supuesto inventor en cuestión, podríamos extraer otro enunciado muy útil a partir del anterior:
Enunciado enerconómico #2
La probabilidad de que el inventor que ofrece un dispositivo capaz de transformar todo el calor, o sus variantes, en trabajo útil sea un timador, crece de forma directamente proporcional al empeño en pedir elevadas sumas de dinero para montar el primer prototipo de dicho dispositivo.
Si leemos entre líneas, entendemos que el calor es una energía que fluye de una fuente caliente a una fría, nunca al revés, al menos no de forma espontánea (y el Segundo Principio, a través del enunciado de Clausius, dice eso mismo). Pues bien, el Segundo Principio nos dice que en una central térmica que genera electricidad es imposible convertir todo el calor en electricidad (la electricidad no es más una forma de trabajo útil). Y las centrales térmicas más eficientes de España, las de Ciclo Combinado, andan por el 55% de eficiencia en el mejor de los casos (W/Qc), bastante lejos del 100% y estarán SIEMPRE por debajo del 100%. Pero ese ejemplo es de cajón, muy sencillo. Ahondemos un poco más en el concepto con ayuda de otras magnitudes que producen calor antes o después... como el rozamiento.
A vueltas con el aprovechamiento del rozamiento
¿Qué es el rozamiento? El rozamiento o fuerza de fricción, es toda fuerza que se genera entre dos superficies en contacto, movidas por energía mecánica, y debido a las imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies. Pues bien, la manifestación macroscópica del rozamiento es precisamente la producción de calor.
Frotad vuestras manos vigorosamente ahora. Qué calentito, ¿eh? Ahora acercad vuestras manos a una bombilla apagada... ¿la veis iluminarse?
En todo sistema mecánico se produce fricción, por mucho aceite que eches en los engranajes y pongas mucho cuidado en el diseño. Esto significa que parte del trabajo útil que proviene de la energía mecánica se convierte en calor. Y este calor se disipa, normalmente no se puede aprovechar. Pero aún pudiendo ser aprovechado, el Segundo Principio establece que es imposible que se aproveche todo el calor para generar trabajo útil, implicaría que en la Naturaleza no habría "desgaste de la energía".
Os sorprenderíais de saber cuantos elementos me he encontrado en mi corta vida que aseguran que su invento se retroalimenta con la fricción y el consecuente calor generado, pudiendo capturarlo al cien por cien. Pero es que encima con ese calor supuestamente recuperado generarían a su vez aún más energía eléctrica, que a su vez se multiplica para dar más calor que a su vez... Y así pues acabamos teniendo al final tanto calor y electricidad que la Tierra se convertiría en una Supernova a 10.000ºC de temperatura, je, je.
Enunciado enerconómico #3
Cualquier invento que proclame que aprovecha el rozamiento para convertirlo en energía útil o trabajo es muy probablemente una estafa.
Enunciado enerconómico #4
Una máquina energética que aprovecha parte del calor generado para acabar devolviendo una cantidad mayor en forma de trabajo útil, como la electricidad, es imposible, y por supuesto una estafa.
Pero ojo, no seamos demasiado talibanes. El segundo principio dice que es imposible transformar todo el calor en trabajo. Pero es posible encontrar máquinas que, utilizando una cierta cantidad de trabajo, dan varias veces más energía en forma de calor, justo lo contrario.
En efecto. El concepto clásico que tenemos de máquina que aprovecha la electricidad para generar calor es la resistencia eléctrica, es decir, la estufa-brasero. La estufa convierte el 100% del trabajo que proporciona la energía eléctrica en calor. Al revés, convertir todo el calor en electricidad, ya hemos visto que NO es posible. Pero si nos ofrecen un dispositivo que con esa misma cantidad de electricidad genera mucho más calor, no es una estafa. Existe y muchos la tenemos en casa.
Se llama bomba de calor. O aire acondicionado, que es lo mismo pero funcionando al revés.
Enunciado enerconómico #5
Una máquina que proporciona una cierta cantidad de calor con una cantidad considerablemente menor de electricidad es perfectamente viable y se llama bomba de calor.
La bomba de calor utiliza la energía eléctrica para robar, literalmente, calor al medioambiente. En invierno, por raro que parezca, nuestro split proporciona más calor que la energía eléctrica consumida porque es capaz de extraer calor del exterior, aunque el ambiente exterior esté más frío que el interior de nuestros calentitos hogares.
Una bomba de calor toma una cierta cantidad de energía en forma de trabajo (W) y roba, literalmente, calor al ambiente frío a temperatura Tf para calentar aún más el interior de las casas a temperatura Tf. El motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer un calor del foco frío y se cede calor al foco caliente. Este es también el principio básico de toda máquina frigorífica.
Y por ahora lo dejamos aquí. En próximas entregas iremos degranando más cositas. Pero si aún se os ha olvidado todo dentro de una semana, al menos quedaros con esta idea que viene a continuación. Y si aún así tuviérais dudas sobre algo en concreto, tito Solrac estará encantado de poder echaros un cable.
La estufa eléctrica transforma todo la energía eléctrica en calor. Pero no existe, ni nunca existirá, la máquina que haga lo contrario, transformar todo el calor en electricidad.
* (1) Trabajo: En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser también calorífica, eléctrica, magnética o química, por lo que no siempre podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico. A efectos de esta serie, se considerará como trabajo toda energía que produzca un efecto útil y no sea calor.
