El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

[Termodinámica I] Rendimiento

Hemos llegado, finalmente, al último artículo de [Termodinámica I]. Por el camino, hemos hablado acerca del origen último de la energía térmica en la materia, los movimientos caóticos y frenéticos de las partículas que la componen; hemos añadido a ese factor “cinético” otro “posicional”, debido a la interacción entre esas partículas que determina los estados de agregación, y hemos visto cómo, utilizando el ingenio, es posible convertir unos modos de energía en otros para conseguir realizar trabajo a partir de desequilibrios térmicos. Hoy, para terminar el bloque, hablaremos de la limitación inevitable e inherente al aprovechamiento de la energía de este modo y exploraremos el concepto de rendimiento.

Mirando atrás, ha sido un bloque diferente de [Electricidad I] fundamentalmente en un aspecto: a mediados de este nuevo bloque hemos disminuido el ritmo de publicación de sus artículos para dar más comba a las otras series, ya que de otro modo aquéllos que ya sabéis de esto os quedáis bastante secos de artículos, y cada bloque necesariamente requiere de varias entradas del mismo asunto durante unos meses. La contrapartida es que ha tardado más en terminar que el anterior, y como supongo que seguiremos con este nuevo ritmo para los bloques de conocimiento (un artículo al mes, seguramente), iremos avanzando más despacio, y eso es una lástima, porque supone un bloque al año, más o menos. Un poco desesperante. Lo ideal sería simplemente publicar los bloques a mayor ritmo sin perder el de las otras series, pero por ahora me es imposible dedicar más tiempo a escribir. Si consiguiera escribir algo más, seguramente intentaría ir avanzando con el siguiente bloque y luego ir intercalando más artículos de ese tipo con los “normales”, pero no cuento con ello.

En cualquier caso, antes de entrar en faena, la solución al Desafío 6, en el que nos preguntábamos sobre posibles maneras de disminuir el trabajo realizado por nuestra máquina elevadora en la mudanza que llevamos discutiendo unos cuantos artículos.

Solución al Desafío 6 - ¿Cómo ayudar a la máquina?

En el desafío se planteaban dos preguntas. La primera era qué puede hacer el segundo operario de la mudanza para hacer menos gravosa la tarea de la máquina, es decir, disminuir el trabajo neto del ciclo, pero sin subir él ningún mueble. Hay varias cosas que puede hacer –y tal vez a alguno se le ocurra una más ingeniosa que ésta, que es la obvia–, pero hay una respuesta inmediata para la que no hay más que mirar el diagrama del ciclo del artículo anterior:

Ciclo

Para disminuir el trabajo de la máquina no hay más que disminuir el área dentro del rectángulo. Una manera de hacerlo es la siguiente: el segundo operario no se sube al pistón con los muebles y su compañero cuando el pistón va a ascender hasta el sexto piso, sino que sube por las escaleras. Una vez se han descargado los muebles y el pistón va a descender de nuevo, el nuevo operario se sube sobre él con su compañero, aumentando la presión en el descenso.

Al hacer esto, el camino de subida es exactamente igual que antes –pues el pobre segundo operario, que seguramente es el becario, sube por las escaleras–, pero en la bajada, la presión ha aumentado:

Ciclo

De modo que la máquina está realizando menos trabajo neto que antes. Naturalmente, de donde no hay no se puede sacar: el trabajo “de menos” que está realizando la máquina lo está realizando alguien. ¿Quién? Pues el pobre becario, por supuesto, a quien más le vale haber desayunado bien.

La segunda pregunta se refería al foco térmico del que, al final, estamos obteniendo la energía. En el diagrama no aparece una sola temperatura, pero ¿hay alguna diferencia en lo que le sucede al depósito térmico al obligar al becario a subir las escaleras? La respuesta es que sí.

Si recuerdas el anterior artículo y el proceso completo, la manera en la que hacíamos descender el pistón era enfriando el foco térmico, de modo que la presión ejercida por el gas fuera menor. Pero ahora no hace falta enfriarlo tanto como antes, porque el segundo operario está presionando el pistón hacia abajo, con lo que incluso con el gas algo más caliente que antes, la presión de los operarios puede vencer la del gas y hacer bajar al pistón.

No puedes ganar

Antes de hablar de esa limitación inevitable de cualquier intento de aprovechar energía térmica para realizar trabajo, quiero detenerme un momento en otra más básica y de la que ya hemos hablado en el bloque, simplemente para establecer un punto de referencia sólido sobre el que asentar lo que voy a contarte hoy. Como hemos dicho en artículos anteriores, una máquina térmica de cualquier tipo –recuerda que no tiene por qué ser algo construido por el ser humano, puede ser una nube de tormenta o tu cuerpo– convierte unos tipos de energía en otros.

Si has comprendido cómo se almacena la energía en los sistemas termodinámicos, seguro que ya tienes clara una idea fundamental, que puede expresarse de muchas formas pero siempre se reduce al mismo concepto, que oímos muchas veces en el colegio: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Otras formas más o menos vulgares de expresar esto son “No es posible obtener más energía de la que había en el lugar de donde la sacaste”, “De donde no hay no se puede sacar” o “No puedes ganar”.

Primer principio de la Termodinámica

Lo que acabamos de describir de manera poco rigurosa es una de las leyes fundamentales de la Termodinámica y recibe el nombre de Primer Principio de la Termodinámica. Sin él no podríamos siquiera hablar de energía como lo hacemos porque nada encajaría al cabo del tiempo, con lo que es algo absolutamente primordial. Este principio fue enunciado por primera vez por el genial alemán Rudolf Clausius en 1850 de una manera mucho más técnica de como hemos hecho aquí, diciendo que “Existe una función de estado denominada energía cuya variación es igual al trabajo intercambiado con el entorno durante un proceso adiabático.”.

Lo bueno del Primer Principio, que exploraremos matemáticamente en bloques superiores, es que resulta muy intuitivo. Si piensas en términos de dadivitas, por ejemplo, y cada dadivita tiene una cantidad de dinero determinada, sea como sea que hagas intercambios de dinero, el dinero total no puede cambiar, porque si alguien gana dinero otro lo pierde. Otras partes de la termodinámica son más puñeteras en cuanto a la intuición se refiere, pero casi todo el mundo entiende la primera ley sin dudar.

Si te manejas en la lengua de Shakespeare y quieres leer más sobre el asunto, te recomiendo http://en.wikipedia.org/wiki/First_law_of_thermodynamics, ya que el artículo en castellano es más bien pobre.

Como digo, habiendo entendido los artículos anteriores esta idea debería estar clara, pero permite que utilice un ejemplo muy tonto para ilustrarla, porque nos será útil para hablar de la limitación central al artículo de hoy. Supongamos que decido construir una máquina inútil y estúpida –pero clarificadora– compuesta por dos elementos. En primer lugar, un molino de viento capaz de producir corriente eléctrica, como los de energía eólica que hay por los campos pero en pequeño, ya que voy a poner la máquina en mi habitación. Para simplificar las cosas, por cierto, supongamos que la habitación y todo lo que contiene es un sistema aislado, de modo que hay la energía que hay, ni más, ni menos.

El segundo elemento de mi máquina es un ventilador eléctrico, capaz de empujar el aire como cualquier ventilador normal, pero conectado al molino de viento mediante un circuito. Así, no voy a utilizar la energía de la red eléctrica; no podría hacerlo nunca sin hacer trampa, porque acabamos de decir que mi habitación es un sistema aislado, luego no puede entrar energía de ningún tipo en ella. La fuente de energía mediante la que se mueve mi ventilador es, por tanto, la energía eléctrica generada en el molino de viento.

Supongo que ya ves qué es lo que vamos a hacer, y por qué es una tontería, pero sigamos con ello. Vamos a orientar el ventilador y el molino de manera que el aire empujado por el ventilador haga moverse las palas del molino, generando así energía eléctrica en él. De este modo, la energía eléctrica generada por el molino hace moverse la hélice del ventilador, que empuja el aire, que hace moverse las palas del molino, que genera energía eléctrica que a su vez hace moverse la hélice del ventilador, que… y así todo el tiempo. Algo así:

Ventilador y molino

Evidentemente, si ponemos este artilugio didácticamente útil pero prácticamente absurdo en mi habitación sin más, no se mueve en absoluto, ya que inicialmente todo está parado, y cada parte de la máquina sólo se mueve si la otra lo hace. De manera que tenemos que dar un impulso inicial a algo, por ejemplo, las palas del molino. Imaginemos que proporciono un buen empujón a las palas para que la máquina empiece a funcionar, de modo que el molino gira, hace girar el ventilador, y se repite el ciclo una y otra vez.

Cada elemento de nuestra máquina convierte un tipo de energía en otro diferente –nuestra máquina consta, por así decirlo, de varias máquinas térmicas–, con lo que no debería caber ninguna duda de que, ya que de donde no hay no se puede sacar, lo que no va a suceder jamás de los jamases es que el aparato empiece girando a una velocidad determinada y, poco a poco, vaya ganando velocidad. Como mucho, el molino se moverá igual de rápido que tras el golpe que le di para ponerlo en marcha, ya que al fin y al cabo es esa energía la que se van pasando el molino al ventilador y viceversa.

Aunque me ponga pesado, si imaginamos la energía como un precioso líquido dorado, yo he proporcionado algo de líquido al molino. Si ignoramos los tipos de energía y nos fijamos sólo en cuánta hay, el molino nunca podrá dar más líquido dorado al ventilador del que tenía, ni tampoco podrá pasar lo contrario. Idealmente, si todo va estupendamente bien, será como si el molino y el ventilador fuesen dos recipientes y vertemos el líquido dorado del uno al otro, luego del otro al uno, y así una y otra vez. Es de cajón que no va a aparecer líquido dorado de la nada y rellenar más el recipiente de lo que lo estaba antes.

Pero es que todo no va a ir estupendamente bien. De hecho, en general todo va a ir fatal. Y esto tiene que ver con el núcleo del artículo de hoy y la “limitación inevitable” que hemos mencionado antes.

No puedes empatar

El problema está en que eso de que “todo vaya estupendamente bien” quiere decir que absolutamente toda la energía obtenida de la fuente es empleada después, sin que se me escape ni una ínfima parte… y eso es imposible. Aunque mi explicación sea más bien burda, espero que veas que esto es imposible.

En primer lugar, nuestro ventilador empuja aire que mueve las palas del molino, pero ¿todo el aire empujado impacta sobre las alas del molino? Pues no. Parte de él se moverá por la habitación, rebotará contra la pared –hemos dicho que ninguna materia ni energía puede escapar ni entrar, de modo que no saldrá nada–, luego se volverá a mover por la habitación… y una parte nunca llegará otra vez a las palas. De hecho, si recuerdas la naturaleza cinética de la temperatura, las moléculas de aire que empiecen a rebotar por la habitación, con las paredes, yo mismo, el suelo y unas con otras, al final tendrán una mayor energía cinética que al principio, pero será una energía cinética desordenada, térmica, que no mueve las palas del molino porque las moléculas “calientes” chocan contra ellas desde todas direcciones, no una como antes.

Pero es que, por supuesto, eso no es todo. El molino gira, y sus diferentes partes mecánicas rozan unas con otras por más lubricadas que estén, lo cual significa que otra parte de la energía cinética macroscópica de las palas del molino deja de serlo: el rozamiento produce un calentamiento de las distintas partes del molino. Y después, una vez generada la corriente eléctrica en el cable, todo sigue por el mismo camino desesperante y, por así decirlo, degenerativo: los electrones se mueven por el cable hacia el ventilador pero, al hacerlo, chocan unos con otros y con los átomos del cable, calentándolo por el llamado efecto Joule.

Con lo que otra parte de la energía ya no llega al ventilador. Y, aunque no quiero detenerme demasiado en cada paso, el ventilador se mueve, luego sus distintas partes rozan, y las palas mueven el aire pero no de manera perfectamente ordenada, sino que la hélice también calienta ligeramente el aire a su alrededor. Y, como he dicho antes, parte del aire no alcanza las palas del molino, y el ciclo vuelve a empezar.

¿Cuál es la consecuencia inmediata de todo esto? En el anterior epígrafe vimos cómo el molino y el ventilador nunca van a girar más deprisa que al principio: en cualquier transformación de energía no podemos ganar. Pero ahora estamos viendo cómo ni siquiera van a moverse como al principio… en cada ciclo, una parte de la energía inicial ya no se la están pasando el uno al otro, con lo que van a ir moviéndose más y más lentamente hasta, al final, pararse completamente. Toda la energía que proporcionamos inicialmente al molino dándole un golpe ya no está siendo empleada para mover nuestra máquina.

¡Ojo! La energía no desaparece

Podría parecer que, ya que en cada ciclo nuestra máquina tiene menos energía, de alguna manera está desapareciendo la energía que le proporcionamos inicialmente. Como puedes comprender, la energía no ha desaparecido – eso nunca sucede, ya que si nuestra máquina la pierde, alguien la gana. A veces decimos que la energía “se ha disipado” o que “la hemos perdido”, pero no estamos diciendo entonces que la energía haya desaparecido. Si has comprendido mis argumentos acerca de las “pérdidas” en cada paso, esas pérdidas no son absolutas, sino que son simplemente conversiones de energía en formas no tan útiles, como el aumento de temperatura de la habitación.

En este caso, se trata simplemente de una conversión no intencionada de energía mecánica –el movimiento inicial del molino– en energía térmica de los objetos en la habitación y el aire que contiene (y las paredes, si queremos contarlas). Si contamos la energía total de la habitación aislada en el comienzo del movimiento y al final, no hay cambio neto: la energía sencillamente se ha convertido en formas más sutiles y menos fáciles de ver, de ahí que muchas veces dejemos de contar con ella a efectos prácticos… pero está ahí. Siempre.

Durante mucho tiempo –e incluso ahora, aunque ya no lo tomemos tan en serio– hubo gente que sostenía haber construido móviles perpetuos, máquinas que supuestamente podían funcionar para siempre realizando transformaciones de energía en ciclos. Sin embargo, como ves, esto es imposible, porque en las transformaciones de energía (cuando algo sube y se frena, baja y se acelera, se mueve sobre algo, etc.) siempre hay una parte de la energía inicial que se convierte en energía térmica, con lo que la máquina, finalmente, se para. En la Edad Moderna la mayor parte de esos móviles perpetuos eran mecanismos mecánicos con engranajes, pesos, cadenas y poleas; hoy en día suelen emplear energía eléctrica, imanes y cosas así… pero el problema es el mismo.

Esto no quiere decir que algún día no te encuentres delante de un aparatejo que parezca contradecir lo que aquí estamos diciendo, pero seguramente será simplemente eso: parece contradecirlo. El problema está en que, a veces, la energía es sutil y difícil de ver, con lo que puede parecer que aparece de la “nada”, cuando esa “nada” es sencillamente alguna forma de energía que no era tan evidente, como el movimiento electrónico en los átomos o la propia agitación molecular –la energía térmica asociada a la temperatura que hemos descrito tantas veces–, del propio aparato o del aire que lo rodea. Como recordarás del primer artículo del bloque, parte del problema al estudiar un sistema termodinámico es definir bien sus fronteras y las variables que lo describen: una vez tienes en cuenta todas las variables relevantes, esos supuestos móviles perpetuos se desvanecen como humo.

Vamos que, por más que te pese, no puedes ganar, pero es que ni siquiera puedes empatar: en cualquier transformación de energía, parte se acaba convirtiendo de una manera u otra en energía térmica de la que ya no dispones directamente para mover cosas. También podemos expresarlo así: “No puedes sacar más de lo que hay, pero ni siquiera puedes sacar todo lo que hay”. ¡Ah, infelice! Se trata de una limitación inevitable, inherente a cómo funciona el Universo y las interacciones entre partículas. Desde luego, podemos controlar hasta cierto punto cuánta energía se escapa entre nuestros dedos y se convierte en energía cinética molecular desordenada, pero no el hecho de que lo haga, porque eso seguro que pasa. Y el grado de control que tenemos sobre esto es a lo que nos solemos referir con la palabra rendimiento de una máquina térmica.

Segundo principio de la Termodinámica

Esta imposibilidad inherente al Universo y las transformaciones de energía constituye el Segundo Principio de la Termodinámica, formulado por primera vez –una vez más– por Rudolf Clausius, aunque de un modo diferente a cómo lo hemos hecho aquí: “No es posible ningún proceso cuya única consecuencia sea la transferencia de calor desde un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.” Sé que suena muy distinto, pero puede demostrarse matemáticamente que es “intercambiable” con otros enunciados equivalentes.

Mi favorito para empezar, por intuitivo, es el de un viejo conocido de este bloque, William Thomson, Lord Kelvin: “No es posible ningún proceso cuya única consecuencia sea la absorción de calor desde un foco térmico y su conversión completa en trabajo”. Este enunciado alternativo sí se parece mucho más a nuestro conjunto ventilador-molino, y es más fácil de comprender de manera inmediata.

El Segundo Principio es más sutil que el Primero, y nos zambulliremos en él en bloques superiores, pero puedes leer más sobre él aquí: http://en.wikipedia.org/wiki/Second_law_of_thermodynamics

Rendimiento

Volviendo a nuestra estúpida máquina molino-ventilador, espero que mis argumentos te hayan convencido de que, en primer lugar, no va aumentar su velocidad y, en segundo, que no sólo no va a aumentar sino que necesariamente disminuirá, independientemente de lo bien construida que esté, lo eficaz de su lubricación, engranajes, circuitos y demás. No hay solución. Pero lo bien construida que esté sí influye en algo, aunque no sea en el destino final de la energía (que es en este caso aumentar ligeramente la temperatura del sistema): en cuanto tiempo funcionará.

Es decir, en cada ciclo completo de transformaciones de energía entre el molino-ventilador-molino se pierde algo de la energía inicial, con lo que al final perdemos toda –una vez más, “perdemos” en el sentido de “se convierte en otros tipos de energía no inmediatamente útiles para nuestra máquina”–. Pero ¿cuánta se pierde? Si nuestra máquina es algo patético e inmundo, tal vez en cada ciclo perdamos un 50% de la energía inicial en el ciclo, con lo que la máquina pierde velocidad muy rápido debido a causas diversas. O tal vez esté tan bien diseñada y fabricada que pierda sólo un 1% en cada ciclo. En ambos casos terminamos igual, ¡pero no es lo mismo! Desde luego, en nuestra triste máquina poco importa lo que suceda, pero en el caso de un motor de coche, una nave espacial o una casa, importa muchísimo.

La manera de medir esta eficiencia en una máquina se denomina rendimiento, y su definición es bastante intuitiva:

El rendimiento de una máquina térmica es el tanto por ciento de la energía absorbida que se transforma en trabajo útil en cada ciclo.

Dado que estamos en un bloque introductorio no haremos números, pero podemos pensar en esto en términos de nuestro molino-ventilador. Si el rendimiento en un ciclo fuera del 100%, esto significaría que el molino recibe absolutamente toda la energía que transfirió al ventilador y viceversa, con lo que haciendo el ciclo una y otra vez no cambiaría nada jamás, y estaríamos ante una imposibilidad, una máquina de movimiento perpetuo. Como puedes comprender, en el caso de una máquina que transforme cualquier tipo de energía en trabajo para mover algo, esto es imposible. Sí sería posible si queremos convertir cualquier energía en energía térmica, porque las “pérdidas” de las que estamos hablando son precisamente conversiones en energía térmica, pero no es el caso de nuestra máquina.

De modo que, si nuestra máquina tiene un rendimiento del 80%, se parará tarde o temprano, pero tardará mucho más en hacerlo que si el rendimiento fuese del 20%. Lo ideal sería que el rendimiento, aunque no pueda ser del 100% para una máquina del estilo de la nuestra, sea lo más parecido posible, por ejemplo del 99,9%… pero es que no sólo no podemos llegarl al 100% en nuestra máquina, es que no podemos ni siquiera acercarnos.

No vamos a entrar aquí en las disquisiciones matemáticas pertinentes, pero nuestro viejo amigo Nicolas Léonard Sadi Carnot demostró que, para cualquier máquina que transforme energía térmica en mecánica, como una locomotora o el motor de un coche, existe un rendimiento máximo en condiciones ideales… y ese rendimiento suele ser bastante bajo. Depende básicamente de las temperaturas entre las que funciona el aparato, de manera que cuanto más distintas sean ambas temperaturas, un mayor porcentaje del flujo energético puede aprovecharse para realizar trabajo, pero con lo que quiero que te quedes por ahora es simplemente con la siguiente idea: el rendimiento de cualquier máquina tiene un límite (que no es, ni mucho menos, del 100%), por bien construida que esté, ya que necesariamente se disipa en forma de calor parte de la energía que podría, si las cosas fueran diferentes, convertirse íntegramente en trabajo mecánico.

Pero, si eso te resulta decepcionante, la realidad es aún peor. Cualquier máquina térmica típica, como el motor de un coche, tiene un rendimiento que, así de primeras, suena muy bajo. Un coche normal y corriente, con un motor de gasolina, puede tener un rendimiento del 30%. El motor de combustión interna más eficaz del que tengo noción es un motor diésel finlandés de dos tiempos, utilizado en grandes barcos, que alcanza el 51%, lo cual ya es una auténtica maravilla. En resumen, que la mayor parte de la energía se nos escapa entre los dedos: así son las cosas.

¡Ojo! Rendimiento ≠ Potencia

Es importante comprender lo que no es el rendimiento. Si tengo dos máquinas, una de las cuales tiene un rendimiento del 50% y otra del 20%, eso no quiere decir que con la primera consiga realizar más trabajo que con la segunda, ni que se trate de un motor más potente ¡el rendimiento no mide eso! Recuerda que se trata de qué fracción de la energía empleo. Si la máquina del 50% consume poca energía cada segundo y la segunda consume muchísima, es muy posible que la máquina del 20% realice muchísimo más trabajo, en el mismo tiempo, que la del 50%.

Dicho de otra manera: el rendimiento mide “lo bien que aprovecho la energía”, no “lo rápido que realizo trabajo”. Si lo que me interesa es ser eficaz y ahorrador, me fijaré en el rendimiento, mientras que si lo que me interesa es correr mucho o realizar trabajo muy deprisa, me fijaré en la potencia, que es algo diferente. Sé que tal vez esto sea obvio, pero a veces se nos escapa este detalle y nos llevamos sorpresas por suponer que el rendimiento implica cualidades con las que no tiene relación.

Ideas clave

Para terminar este bloque, en el artículo de hoy deben haberte quedado claros los siguientes conceptos:

  • No es posible emplear más energía de la disponible en su origen (“No puedes ganar”).

  • No es posible siquiera emplear toda la energía disponible en origen para realizar trabajo (“No puedes empatar”).

  • El porcentaje de la energía absorbida que se emplea de forma útil se denomina rendimiento.

Para terminar… despedida y cierre

Espero que, aunque no hayamos empleado una sola fórmula, al terminar este bloque comprendas de manera cualitativa el porqué de la temperatura y el calor, las diferencias entre los dos conceptos, por qué razón la energía térmica fluye entre unos cuerpos y otros y de qué manera se manifiesta, además de cómo emplearla para realizar trabajo y cómo medir tanto ese trabajo como la eficiencia de las máquinas que lo realizan. Naturalmente, si quieres profundizar más en este asunto, esta serie de diez artículos será sólo un comienzo, pero mi propósito es precisamente ése: servir de “trampolín” para textos más elevados en los que, a veces, las fórmulas se convierten en el rey del mambo y no prestamos suficiente atención a lo que hay detrás.

Desde luego, habrá un [Termodinámica II] pero, como sabéis los que lleváis tiempo con nosotros, soy inconstante como un cachorro de dos semanas, y me aburro deprisa, así que el próximo bloque será de otra cosa –probablemente Mecánica–. Paciencia, que lo importante es disfrutar del camino… ¿o no?

Ciencia, Termodinámica

30 comentarios

De: J
2011-02-17 19:39:43

A menudo he visto descritas esas leyes, de forma resumida, como:

1ª: no puedes ganar.

2ª: de hecho, tampoco puedes empatar.

3ª: y además, no puedes dejar de jugar (esta aún no la has contado).


De: chamaeleo
2011-02-17 22:23:26

Muy amena esta introducción, asienta una buena base que yo nunca tuve cuando estudié termodinámica, y por eso iba siempre dando palos de ciego cuando entraba en temas más complejos. Unos buenos cimientos ayudan mucho.

Por cierto, no puedo evitar mencionar el caso del rendimiento de los motores de combustión. Sólo llegan al 30% en condiciones muy específicas: al régimen óptimo (en torno a 1800 rpm para un diésel), sin acelerones ni frenadas, y sin incrementar ni bajar la potencia exigida.
Un coche compacto a 100km/h en llano a v=cte, suele emplear 11KW, y 1litro de gasoil tiene 10,8KWh; suponiendo un consumo de 4l/100km, unos 43KWh, en ese caso tal vez sí se esté sacando un rendimiento del 11/43=26%. En el momento en el que te salgas de ahí, el rendimiento baja, y en un uso combinado, suele andar en torno al 15%.

Eso sí, en motores más grandes se cuida mucho que las condiciones de funcionamiento sean muy cercanas al punto de máxima eficiencia, donde en algunos casos logran rendimientos superiores al 50%, lo cual es todo una proeza.


De: xx32
2011-02-18 03:45:13

en este momento, siendo un sistema termodinámico como todo ser vivo, me pregunto qué tan bueno será nuestro rendimiento...


De: Kent Mentolado
2011-02-18 09:10:03

Desde hace unos meses, circula por Internet el meme Troll Science que ilustra exactamente estos casos de la termodinámica. La gente garabatea máquinas 'pseudo-cientificas' que parece que funcionan para siempre, pero siempre esconden trampas a la termodinámica (algunas muy obvias). Los hay muy ingeniosos y divertidos (por cierto, casi siempre en inglés):

Los más clasicos: http://input-image.info/Physics-Troll.html
Más info en Know Your Meme: http://knowyourmeme.com/memes/troll-sciencetroll-physics

Saludos,


De: marat
2011-02-18 12:45:50

Hola Pedro.

Dios hacía tiempo que no escribía por aquí.

Ahora que comentas sobre las series y los ritmos de publicación de las mismas, me preguntaba por aquel post que hiciste sobre un experimento de química con el bicarbonato y una vela y colgaste un video y todo. No has vuelto a hacer más,no?. Aquello como quedó?, lo has aparcado de momento?.
Tenía muy buena pinta esa serie de experimentos prácticos, digo para variar de tanta letra, no va mal halgo de laboratorio,no?

Un saludo


De: chamaeleo
2011-02-20 23:50:53

Después de releer este artículo, me doy cuenta que lo que se plantea es mucho más profundo de lo que parece, en lo que al futuro del universo se refiere y las consecuencias finales. Este tema daría para filosofear durante un buen rato.


De: J
2011-02-21 09:33:22

chamaeleo: busca "la última pregunta" de Asimov. Es un cuento muy cortito, 15 o 20 páginas. No leas el artículo de la Wikipedia, que está lleno de spoilers.


De: Juan Carlos Giler
2011-02-21 17:44:41

Muy buen artículo.....!!!!

Una consulta, no se mejoraría la eficiencia del aparato, si en lugar de mover con el aire, sea que el propio ventilador el que mueva el molino (es decir unidos directamente) ???

:) -> "serl", "llegarl"


De: Pedro
2011-02-21 18:55:24

Corregido, Juan Carlos, gracias :)


De: chamaeleo
2011-02-22 21:00:29

_J, gracias por la recomendación, me ha gustado mucho.


De: alien
2011-03-04 11:51:39

Hola, en relación con este post me gustaría que alguien me aclarase una duda que me corroe. Este año he empezado a ver en las tiendas unos emisores térmicos que se denominan ecológicos porque son de bajo consumo. Dado que la eficiencia energética que implican todos los aparatos de bajo consumo consiste en hacer su trabajo con el mínimo desperdicio de energía, o sea que la fracción de energía que inevitablemente se transforma en calor sea la menor posible,¿ Cómo puede ser de bajo consumo un aparato cuyo fin es precisamente producir calor? ¿Se puede calentar más con menos consumo eléctrico?


De: Daniel López
2011-05-28 02:20:27

Contesto a la pregunta de alien: Evidentemente, no. Esos radiadores de calor azul, igual que si es verde o marrón, me da lo mismo, prometen un calor confortable y un consumo muy bajo. A no ser que puedan sacar calor de la nada (y en esta serie ya nos hemos enterado de que no se puede), son una estafa si afirman dar el mismo calor con menor consumo. Para elevar la temperatura de una habitación de 10 a 20º hace falta una energía X, independientemente del sistema que queramos usar para ello, y esos emisores la sacan íntegramente de los enchufes, no tienen otro sitio de dónde sacarla porque ni siquiera meten una parte del exterior como hacen las bombas de calor. Ellos dicen cosas como "es que son radiadores de alto rendimiento que se calientan lentamente consumiendo poco, y luego aunque los apagues permanecen soltando calor durante mucho rato". Mi experiencia con ellos (he vivido en un piso que los tenía) es que consumen poco porque son de poca potencia, traducción: te mueres de frío durante un buen rato hasta que llegan a calentar, y una vez alcanzada la temperatura deseada, consumen exactamente lo mismo que cualquier radiador de mayor potencia con termostato a igual temperatura. Y por descontado la factura de la luz es igual de estratosférica que si te calientas con los fogones de la vitrocerámica.
Aprovecho para sugerir a Pedro un capítulo de Falacias sobre este tema, porque es de vergüenza cómo están engañando a la gente con estas cosas.


De: Daniel López
2011-05-28 02:45:16

Aquí desmontan bastante bien el tinglado:
http://ideesicontraidees.blogspot.com/2010/11/el-calor-azul-y-la-termodinamica.html


De: Filosofete
2011-08-11 19:05:49

No estoy muy seguro de lo que dices, Daniel. A ver, el calor no es un tipo de energia (Ver el capítulo 3 de termodinámica del Tamiz), sino una transferencia de energia. Es decir, y así yo lo he entendido, la energía no se transforma jamás en calor; se transforma, en todo caso, en movimiento (energía cinética), en masa o en lo que sea.En todo caso, llamamos calor al tipo de transferencia energética que se da en una transformació entre cualquier tipo de energia y la energia cinética (de las partículas de las sustancias). Así pues, cuando compramos un radiador para el hogar lo que nos interesa es que la temperatura de la habitación aumente. Por ello se pretende diseñar una máquina que convierta toda la energia suministrada al radiador en energia cinética de las partículas del aire de la habitación sin que la energia inicial se "disipe" ni un ápice en otros tipos de energia (como la energia lúminica, o la sonora, etc). En todo caso, Daniel, si se trata realmente de un timo no hace falta venir a llorar aquí, te compras uno de esos radiadores y les metes una demanda judicial por no cumplir (y no poder cumplir jamás) con las especificaciones bajo las cuales venden el producto. Y todos tan contentos.


De: Filosofete
2011-08-11 19:13:33

Por cierto, según el 2º principio (el de la entropía) el principio 0, que dice : la energía térmica siempre pasa del cuerpo más caliente (mayor temperatura) al menos caliente (menor temperatura) hasta que se alcanza el equilibrio térmico me parece que resulta ser falso, en la medida que el 2º principio imposibilita alcanzar, jamás, un equilibrio térmico entre dos sistemas (o cuerpos) que intercambien calor.

En fin, espero con ganas la serie de Termodinámica II, especialmente cuando se hable sobre la entropía.


De: Sergio B
2011-08-11 20:11:54

Hombre, pues yo creo que depende. Suponer que toda la energia que gasta un radiador se convierte en calor es correcto, suponer que toda la energia electrica que circula por el radiador se convierte en calor es alejarse bastante de la realidad. Cuando en tu contador pone kilowatios (potencia), ¿como la esta midiendo? Esta midiendo la intensidad que absorbes y la que devuelvas le da absolutamente igual. Dependiendo de la relacion entre la potencia que solicites y que te cobran y la que conviertas en calor pues si que puede ser distinto un radiador de a otro. Al universo le va a dar igual, a ti no se. Lo mismo se puede decir de que los fluorescentes gastan mas en encenderse que en estar encencidos, que yo sepa un condensador no gasta energia (o gasta una fraccion despreciable de la que maneja), pero si te cobran lo que pasa sin tener en cuenta lo que devuelvas... pues estamos en las mismas.

@Filosofete yo creo que no es tanto confundir terminos como ahorro de lenguaje, decir que la energia electrica se convierte en calor en lugar que mediante una transferencia de calor se convierte en energia termica, aparte de ser mas corto se entiende igual. En termodinamica hablar de energia cinetica no da toda la informacion que querrias, en algunos caso buscaras presion, en otros un cambio de volumen, en otros de densidad y en otros de temperatura, todos se hacen mediante el flujo de calor, pero no creo que la gente se confunda. Pero bueno, lo correcto es lo correcto.

El principio 0 de la termodinamica establece que dos sistemas que se encuentren en equilibrio tiene la misma temperatura. De ello se deduce que se producira esa transferencia hasta que se alcance el equilibrio, que si no se alcanza pues seguira eternamente, como establece el segundo principio. Eso no impide que yo pueda usar un tercer sistema para transferir energia a cualquiera de los otros dos hasta que esten en equilibrio y su transferencia de energia termine. Vamos, que el equilibrio termico entre dos sistemas si es posible.


De: Daniel López
2011-08-11 20:47:35

Mira Filosofete, no lloré cuando escribí lo que escribí, no me han quedado ganas de debatir absolutamente nada contigo.


De: Pollo Loco
2011-08-12 09:11:10

Sergio B, después de leerme algunas entradas de esta serie de termodinámica creo que lo que quería decir filosofete con lo del equilibrio térmico y el principio 0 es algo distinto.

El principio 0 establece que al entrar en equilibrio dos o más sistemas se alcanza una temperatura empírica dada. Lo que sucede, es que según las explicaciones de Pedro dos o más sistemas en equilibrio térmico se caracterizan porque todas sus partículas intercambian, de promedio, la misma energia entre sí. Es decir, imagina que tenemos un sistema A con una partícula y un sistema B con otra partícula; ambos sistemas, o sea ambas partículas, entran en equilibrio térmico cuando la energia que desprende el sistema A es absorbida completamente por el sistema B, y a la vez, esta energia es la misma que desprende el B y que A absorverá por completo. En otras palabras, dos sistemas en equilibrio térmico no disipan energia hacia el entorno. En cierto modo, creo que lo que quería decir filosofete es que el equilibrio térmico (o cualquier otro equilibrio) se fundamenta de alguna manera sobre la idea de que los sistemas que hemos cogido arbitrariamente para estudiar pueden llegar a actuar como máquinas perfectas: la energia que da un sistema A a otro B es exactamente la misma que da el sistema B a A. Por tanto, se supone que el rendimiento en el intercanvio de energia entre A-B seria siempre del 100%.

En fin, que la 2º ley parece decir que el equilibrio térmico entre dos sistemas es un mito, seguramente útil, pero un mito. Com así sucede también con el 0 K.

Otra cosa ya es lo que se ha discutido sobre el calor que desprende un radiador y su rendimiento. Está claro que toda la energia que consume un radiador, el radiador la acaba perdiendo, o sea, disipanado en el entorno de alguna forma u otra (energía cinética de las partículas del aire, energía lúminica, etc). El radiador siempre recupera muy poco calor del que desprende. Cabe atender que aquí Daniel tiene razón: el radiador no puede desprender más energia de la que consume. Y en efecto, toda la energia que consume se convierte en calor, o sea, toda la energia que consume es transferida. Sin embargo cabe preguntarnos: ¿toda esta energia transferida es transferida a un sistema que a nosotros nos interesa o bien, se trasnfiere de forma caótica por el universo? Y es que, a fin de cuentas, cuando vamos a comprar un radiador buscamos quan efectivo es el radiador a la hora de calentar el aire de una habitación. Aquí ya tenemos un proceso con un rendimiento; es decir, tenemos dos sistemas y un entorno: el radiador (sistema A), el aire de la habitación (sistema B) y el entorno (el universo). **Supongo que estos radiadores lo que harán será calentar el aire de una habitación con un rendimiento mayor. Ésta es mi opinión. En todo caso, aunque filosofete haya sido un poco bruto con sus palabras, si realmente el radiador azul este es una estafa, pues se denuncia via judicial y bajo demostración uno se lleva una pasta larga.

Me ha encantado este blog.


De: Anhillo Al-Deddo
2011-08-12 19:51:43

@ Pollo Loco; creo que has mezclado conceptos. Primero, la energia, según la termodinámica se puede transferir como calor o como trabajo. También es posible, mediante una máquina, transferir, primero, energia en forma de calor y luego, trasnferir tal energía en forma de trabajo. Sin embargo, en este último caso, resultará que el calor generado será siempre mayor que el trabajo generado. Esto se deduce de la segunda ley.

Tenemos, luego, que el calor sólo toma partido donde hay un desequilibrio térmico y se aprecia a través de un incremento de la temperatura del foco de menor temperatura (a excepción de los sistemas que se encuentren en cambios de fase).

En cuanto a lo del principio cero y lo del "equilibrio" como un mito... bueno, si más no parece obvio que en realidad no hay nada en la naturaleza que esté realmente en equilibrio, sino de forma aparente. Sin embargo, resulta sumamente útil para conocer, controlar y discernir cuanto sucede considerar que existen equilibrios, ciclos, repeticiones, igualdades, constantes, etc. Si no pudiéramos suponer nada de eso, y la naturaleza ni tan siquiera lo insinuara, el conocimient humano sería imposible.

Por cierto, me gusta mucho la visión epistemológica de pedro: reconoce cuanta arbitrariedad hay en las ciencias (a la hora de discernir sistemas, unidades, magnitudes, etc). Personalmente, siempre me ha parecido que la distinción entre calor y trabajo en el fondo tiene algo de arbitraria. A fin de cuentas, me parece a mi que no existe ninguna máquina que transfiera, en alguna de sus fases, toda su energia sólo como calor. En caso que aquí me equivoque agradecería un ejemplo de máquina que transfiera TODA su energía sólo como calor, y NADA como trabajo.


De: Anhillo Al-Deddo
2011-08-12 19:57:11

Por cierto, me ha gustado lo de la denuncia. En este país se debería denunciar más las estafas, lo ineficiente (lo que no cumple con lo prometido)... Así nos pondríamos todos más las pilas. La verdad es que vivimos en un país de piratas; seguramente eso se deba a la fuerte herencia del catolicismo (una religión de auténticos piratas y mafiosos de la verdad, el conocimiento y la realidad).


De: filosofete
2011-08-13 12:46:56

Primero de todo, quiero disculparme con Daniel; no era intención molestarle. Luego, agradecer a Pedro por este espacio.

Anhillo Al_Deddo, es cierto que la distinción entre Q y W parece ser algo arbitraria, pero ni es trivial ni caprichosa. La experiencia nos da pie a ella: donde hay una variación de temperatura ahí nos permite suponer que la energía puede transmitirse como calor. Sin embargo, también apreciamos que donde se detecta una variación de temperatura ello no sólo implica que en otro sitio se experimente otra variación de temperatura equivalente con la primera, sino que también se da el caso que el otro sitio experimenta cierta variación de volumen o presión. Es entonces que distinguimos el calor del trabajo: donde sólo se produce una variación de volumen y o presión decimos que ahí la energia se transmite como trabajo; donde sólo se detecta una variación de temperatura decimos que ahí la energía se transmite como calor.

Bien, lo que sucede es de costumbre da la impresión que se considera la temperatura, la presión y el volumen como indicadores de "cosas" más o menos independientes. ¿Y no es eso un mal planteamiento?. A mi me parece que es parecido a si se considerase que el fotón no existe y que la radiación electromagnética se transmite mediante una energia de transmisión dada por la longitud de onda (de lo que ahora llamamos fotón)y otra energia de transmisión dada por la vibración ( de lo que ahora llamamos fotón); y luego se pensara que ambas formas de trnasmisión energéticas nos indicaran "cosas" diferentes, o sea, más o menos independientes; por ejemplo:que la longitud de onda implicara un tipo de energía (potencial) mientras que la vibración otra (cinética), afirmando, luego, que un proceso lúminico no tiene porque tener una de las dos formas de transmitir energía. Hoy en dia esta interpretación de la luz nos parece harto chapucera.

Si atendemos a la ley de los gases ideales, ésta viene a decir algo así como: P·V=(n·R)·T.

De algún modo parece dejar claro que en el fondo la presión, el volumen y la temperatura no son "cosas" realmente independientes unas d1e las otras. Hecho que da por pensar que el concepto de calor sea demasiado rudimentario y quizás se pueda tomar ejemplo de lo que se ha hecho con el fotón: considerar que en un proceso termodinámico no se transmite calor, sino que, como en el caso del fotón en la luz, se transmite una entidad energética determinada por 3 variables detectables a partir de los tres indicadores termodinámicos (P,V y T), y ninguno de ellos puede ser cero.

Obviamente, si eso se pudiera escribir de tal forma, entonces se vería claro que no seria posible que en un proceso termodinámico toda la energía interna de un sistema solo implique, sobre otro sistema, una variación de temperatura sin rasgos de variaciones de presión y volumen alguno. Es decir, no sería posible decir que toda la energía interna de un sistema puede transmitirse sólo como calor.

En tal caso, luego, la 2º ley de la termodinámica lo que indicaría es que dado dos sistemas a través de los cuales se produce un proceso termodinámico resulta imposible transmitir toda la energía interna de un sistema a otro solo como un aumento de temperatura, o solo como un aumento de volumen o en fin, solo como una aumento de presión.


De: Pollo Loco
2011-08-13 21:48:29

Me parece que te lías mucho filosofete...

Por cierto, en el artículo "ciclo de carnot" del wikipedia pone que en una expansión isotérmica (un foco a alta temperatura entra en contacto con un volumen de gas provocando que éste se expanda a temperatura constante) se produce una transferencia de energía en forma de calor entre el foco caliente y el volumen de gas. Sin embargo esto me parece criticable porque no hay una transferencia de temperatura, es decir, el foco caliente no pierde temperatura en pos de hacer aumentar la temperatura del volumen de gas. Lo que sucede es que el foco caliente pierde temperatura en pos de ejercer un trabajo (expansión) sobre el gas.


De: Daniel López
2011-08-19 19:12:57

Ok Filosofete, yo solo he pretendido dejar mi opinión sobre un asunto relacionado con el artículo, para ayudar a otros a formarse la suya, y espero haber ayudado a alguien. Y recalco que no conozco forma de que un radiador eléctrico pueda proporcionar a una habitación más calor que otro, gastando lo mismo. Por tanto, si me veo en la necesidad de comprar uno, no voy a guiarme por caracteristicas como el ahorro de energía porque sencillamente, son mentira. Un saludo.


De: Sergio B
2011-08-19 20:42:14

@Pollo Loco cuando hablaba de transferencia, me referia a transferencia neta, pero obviamente queda mejor explicado como lo dices tu. No se puede hablar de "mitos" cuando estamos hablando de termodinamica, por que seria no saber usarla. Pedro no se dedica a explicarla y ya esta, sino que explica unos por que, eso no debe desviarnos de que eso no es necesario para usarla. En la practica, en nuestra capacidad, se puden encontrar sistemas en equilibrio y que la transferencia neta de calor entre ellos no sea medible por nosotros. Si usas un termometro de mercurio podras considerar que al final estara vibrando, pero llegara un momento en que la fuerza por viscosidad sea mas fuerte que el efecto de dilatacion, o la presion del aire o cualquier cosa. Cosa que con el 0 K no pasa, no nos hemos acercado ni de lejos a el, pero bueno, es cuestion de apreciacion.

Respecto al radiador, supongo que no se entendio mi explicacion. Si toda la energia que pasase por una resistencia se conviertiese en calor, no tendriamos luz, por que la electricidad no se podria transportar a ninguna parte. En cualquier resistencia entra y sale intensidad una parte se consumira y la otra volvera a la red, ahi es donde puede estar el problema. ¿Te compensa la compañia por la intensidad que devuelves al sistema? Si lo hace, son una estafa, sino lo hace, no lo son en absoluto (yo he preguntado a un electricista y me ha dicho que valen la pena).

@filosofete, la presion, la temperatura y te diria que la densidad, aunque sea mas comun ver el volumen, son medias estadisticas y decir que no son entidades propias, es limitarse mucho. Obviamente estan relacionadas, sobre todo en un gas perfecto, pero aunque tengan un origen comun tienen un significado propio muy importante. Eso es por que predice comportamientos que se cumplen al dedillo, algo dificilmente predecible considerando millardos de particulas comportando como bien les de la gana, y lo hacen segun una temperatura, una presion y una densidad, algo que en si no tiene una particula. Para mi lo mas bonito de la termodinamica es esa parte, la posibilidad de ver que la estadistica funciona, que funciona tan bien hasta tener entidad propia.

Las expresiones, como comentas de la luz, no son "chapuceras", tienden a ser practicas. si intentas divulgar algo, puedes liarte tanto como quieras, si intentas usar algo, tienes que simplificar tanto como puedas, como dijo no recuerdo quien, supongamos que el pollo es esferico, y en muchas ocasiones no necesitas ir mucho mas alla. Al trabajar en cualquier cosa siempre existe el error y es tan importante como el valor en si mismo.

Pero vamos, siempre se puede profundizar, aqui estamos para eso, al fin y al cabo, pero bueno, como algunos por aqui en ocasiones quieren reservarse sus teorias por si les dan un nobel, yo siempre recomiendo humildad. Si miles de grandes mentes durante ya bastante años no han encontrado que el segundo principio de la termodinamica imposibilite el 0, quiza no seamos nosotros capaces de explicarlo, pero si pensamos eso probablemente nos estemos equivocando.


De: Daniel López
2011-08-24 13:41:05

@Sergio B, lo que dices respecto al radiador, creo que te refieres al factor de potencia, que en cualquier radiador es ~1, con lo que la potencia que utilizas (activa) es prácticamente la misma que pagas (aparente); esto es así en cualquier tipo de radiador, siendo despreciable en este caso la potencia reactiva que es la que pagas y "se va por el desagüe".


De: Anhillo Al-Deddo
2011-08-24 16:46:23

Creo que la reactiva no es la energía que te sobra, sino las corrientes de reacción que aparecen al hacer girar motores (lavadoras, lavavajillas, secadores, etc). Y creo que la reactiva no se vuelve a utilizar. En todo caso, Daniel, estoy con Sergio B. en la medida que no conozco (y quizás sea por ignorancia) ningún tipo de energia que se transmita íntegramente como calor.


De: Sergio B
2011-08-24 19:12:05

@Daniel Creo que tienes razon, me habre confundido con eso.


De: Sergio B
2011-08-24 22:33:59

Y ahora que lo he estado pensando, ¿existen teorias sobre la "dinamica" de la termodinamica? Entiendo que la presion no puede superar la velocidad del sonido, la cual viene a depender de la densidad...¿y la temperatura?


De: Daniel
2015-01-11 20:15

La maquina de movimiento perpetuo no tiene sentido ni siquiera como concepto cuando se propone como vía para obtener energía infinita, aun suponiendo que la energía inicial se vaya a conservar siempre en el momento que se intente utilizar para algo ese movimiento disminuye.

P.D: Excelente la serie de artículos (esta y la de Electricidad) y el blog en general, muchas gracias por tu labor divulgativa.

De: gabriel
2016-05-18 17:27

ojo cuando afirmamos que el calor pasa de los cuerpos mas calientes a los mas frios (y no decimos nada mas), esto es incorrecto, sino preguntale a las heladeras que tomqan calor de la fuente fria y lo transfieren a la caliente.

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