Entrades amb l'etiqueta ‘lord Kelvin’

Energia, benestar i la calor del fred

divendres, 10/03/2017

Què és el millor que podem fer per no passar fred a casa a l’hivern?. Bé, de fet és una pregunta sense resposta clara, perquè el concepte de “millor” és evidentment ambigu. Què és el que realment volem? Podem pensar en termes de pagar poc, de gastar poca energia, de baixa contaminació, de sostenibilitat energètica…, i podem pensar en base a molts altres factors.

Però sí que podem fer unes quantes consideracions, basades en principis ben senzills de la física i la termodinàmica. És clar que tota la calor de la calefacció, estufa o llar de foc acaba marxant a l’exterior. Per tant, la temperatura de dins a casa a l’hivern depèn del que hi posem (energia que destinem a la calefacció) i de la facilitat que tingui en sortir de casa (aïllament). A més energia, més temperatura; a més aïllament, també. I, com que no només volem arribar a una determinada temperatura sinó que la volem mantenir tot el dia, el que ens cal és destinar-hi potència energètica mantinguda. Hem de gastar quilowatts, i els hem de gastar durant hores. Per això ens facturen els quilowatts hora.

Primera consideració: si volem poca despesa energètica, el que ens cal és un bon aïllament. Una casa molt ben aïllada, si no hi viu ningú, manté una temperatura gairebé constant i força agradable, estiu i hivern. És el que passa sota terra. Si l’aïllament de casa fos molt i molt bo i l’escalféssim a 20 graus abans d’anar-hi, quan entréssim a casa podríem apagar la calefacció i les estances no es refredarien: n’hi hauria prou amb la calor metabòlica del nostre cos, perquè seria una calor que la casa mantindria sense pèrdues. Fins i tot podria ser que acabéssim tenint massa calor i havent d’obrir alguna finestra.

Segona consideració: les bombes de calor són més eficients que les estufes. És poc intuïtiu, perquè estem acostumats a dir que a deu sota zero fa fred i que a 35 graus fa calor; però la física ens explica que deu sota zero són 263 graus Kelvin, i això, traduït, vol dir que l’aire de l’hivern, fins i tot quan és gèlid, conté bastanta calor. Les bombes de calor només són ascensors d’energia calòrica que pugen la temperatura del seu fluid refrigerant des dels 263 graus Kelvin a uns 303 o 310 graus Kelvin i aprofiten part de l’energia que ens aporta l’aire fred del carrer (vegeu la nota al final).

Tercera consideració: les bombes de calor són més eficients, però no sempre són els sistemes de menor cost. És el que dèiem, cal saber què volem dir quan parlem de “millor”. Per aportar una unitat d’energia de calefacció a casa, una bomba de calor pot acabar gastant aproximadament 0,3 unitats energètiques d’electricitat (vegeu un cop més la nota al final), que a la seva vegada consumeixen 0,9 unitats energètiques de petroli o carbó a les centrals elèctriques. Per tenir la mateixa unitat d’energia de calefacció, els sistemes de calefacció a gas acaben consumint de l’ordre de 1,4 unitats energètiques de combustible (en aquest cas, gas). El cost d’una i altra opció dependrà del país on visquem, dels sistemes de producció elèctrica, dels sistemes tarifaris i de la facilitat d’accés a un o altre combustible. Fins i tot, a la muntanya, el menys car serà sempre la llar de foc (o estufa) amb llenya, que a certs indrets és ben barata i que permet l’autoconsum. Hem de reconèixer que el cost energètic no té massa relació amb el cost econòmic que finalment hem de pagar cada hivern.

Quarta i darrera consideració: les bombes de calor poden ser sostenibles i poc contaminats. Perquè, quan al cost econòmic afegim els costos de producció i manteniment i els costos ambientals, les coses tornen a canviar. Si tenim en compte l’índex EROI, que mesura el quocient entre l’energia obtinguda i l’energia necessària per a construir les centrals (o sistemes eòlics o solars) i per al seu manteniment, veiem que el gas natural als Estats Units té un EROI de 67 (dades de 2005) mentre que al Canadà és de 20. Les energies solar i eòlica tenen valors d’EROI entre 14 i 18, comparables als del gas al Canadà però no pas als del gas d’Estats Units. Per tant, i en base a l’EROI, la decisió d’una persona als Estats Units sembla evident que hauria de prioritzar el gas natural. Ara bé, l’índex EROI és incomplet, ja que no inclou la contribució a la contaminació ni a l’escalfament global i a més és complex d’avaluar i no genera consens. El tema és polèmic i amb forts interessos econòmics que dificulten una anàlisi rigorosa i imparcial. Però hi ha gent tan poc sospitosa com en Jeremy Rifkin, que proposen solucions radicals i trencadores. Es tracta de pagar per la infraestructura però no per l’energia. Si necessitem energia, ens comprem un sistema solar o eòlic i després ja la tindrem a cost zero perquè ens vindrà del vent i del Sol (amortització a banda). És la ben coneguda auto-generació. És el que fem ara amb internet: ens comprem un mòbil i després cerquem informació a cost zero i compartim continguts sense pagar quasi res. Rifkin diu que la Xina ja aposta per aquesta solució i que està invertint molts diners en la digitalització de la producció elèctrica per a que milions de ciutadans xinesos puguin produir la seva pròpia energia solar i fins i tot puguin tornar els excedents a la xarxa elèctrica pública. No se’n parla, però està passant.

En resum: les solucions de benestar energètic amb perspectives de ser econòmiques, sostenibles i poc contaminants és probable que es basin en bombes de calor mogudes amb energia elèctrica auto-generada amb fonts renovables. No crec que triguem molts anys a veure-ho.

———

Per cert, en Bru Rovira explica que Juan Luis Cebrián va fer negocis a Sudan del Sud amb l’empresari espanyol d’origen iranià Massoud Zandi, que va aconseguir una llicència per explotar-hi petroli. Felipe González els va ajudar per a que poguessin aprofitar-se del cru, en una zona devastada per la guerra i l’espoli.

———

NOTA: L’eficiència de les bombes de calor es basa en aprofitar la calor que conté l’aire fred de fora de casa, a l’hivern. He explica molt bé la imatge que veieu a baix (que és d’aquesta web), i també aquest vídeo. Amb les dades del diagrama de baix, podem veure que una calefacció de gas, per donar-nos una unitat d’energia, consumeix 1,4 unitats d’energia del combustible. Una calefacció elèctrica de baixa temperatura (i baixa radiació) hauria de consumir una unitat d’energia elèctrica. Val a dir que el consum de gas és més elevat perquè, com mostra el diagrama, una part de l’energia de combustió (en aquest cas, 0,4), se’n va per la xemeneia. En canvi, una solució basada en el bombeig de calor ens acaba aportant la mateixa unitat d’energia amb un consum d’energia elèctrica de 0,3. Les 0,7 unitats restants, les agafa de l’aire fred del carrer.

L’interessant de tot plegat és el mecanisme que fa que que aquestes bombes de calor funcionin com veritables ascensors de calor. Suposem que la temperatura exterior és de 5 sota zero, i que dins de casa volem mantenir una temperatura de 20 graus. Com que no podem fugir del segon principi de la termodinàmica que diu que la calor sempre va del més calent al més fred, les bombes de calor necessiten dos salts tèrmics, que podem suposar (cosa força raonable) que són de l’ordre d’entre 5 i 10 graus. Una solució, per exemple, és dissenyar la bomba de calor de manera que mantingui una temperatura de 10 sota zero (-5-5) a l’exterior, mentre genera escalfor d’uns 30 graus dins de casa. El salt tèrmic de l’exterior fa que l’aire, que és a 5 sota zero, es refredi una mica més mentre escalfa el refrigerant (que com hem dit és a 10 sota zero i encara és més fred). I el salt tèrmic de dins a casa fa que aquest mateix liquid refrigerant, que la bomba ha escalfat fins els 30 graus, vagi passant calor amb un ventilador a l’aire de casa que es manté als voltants dels 20 graus. El sistema funciona perquè en tots dos cassos, la calor va del més calent al més fred i les molècules del que té una temperatura més elevada (aire a l’exterior, refrigerant escalfat dins de casa), que es mouen més de pressa, poden passar part de les seva energia calòrica a les del fluid més fred (refrigerant a l’exterior, aire ambient a l’interior). A escala molecular tot és senzill, perquè (a diferència del que passa a les nostres societats) sempre hi ha transferència de qui més té a qui més necessitat és d’energia. L’únic que cal és aconseguir que el refrigerant (en barreja de líquid més vapor) s’escalfi 40 graus per passar dels 10 sota zero fins els 30 graus que té a la sortida del compressor dins de casa, cosa que és més o menys fàcil en funció del tipus de refrigerant.

I, com és que aquestes bombes de calor tenen un bon rendiment? Com és que podem agafar tanta calor d’un aire del carrer que és a 5 sota zero? Doncs perquè la calor que conserva qualsevol fluid (aire o refrigerant) és proporcional a la temperatura, mesurada en graus Kelvin. És ben sabut que l’origen de l’escala de temperatures absolutes o Kelvin és als 273 graus sota zero. Si traduïm tot el que hem dit a aquesta nova escala, veurem que estem parlant de l’aire del carrer que és a 268 graus Kelvin, que passa energia calòrica a un refrigerant que es troba a 263 graus Kelvin. La bomba de calor escalfa aquest refrigerant fins una temperatura de 303 graus Kelvin, i finalment els ventiladors de l’habitació li treuen calor per mantenir la temperatura de benestar de 293 graus Kelvin. En aquesta nova escala, tot canvia: veiem que l’aire del carrer (que ens sembla fred) és en realitat força energètic. Les bombes de calor tenen un bon rendiment perquè només han de passar un fluid que ja es troba “a nivell” 263, fins “al nivell” 303. Si la temperatura fos una muntanya, podríem dir que les bombes de calor, per pujar fins al cim d’alçada 303, no es cansen gaire perquè comencen a una alçada de 263.

Com podeu veure en aquesta pàgina web (a l’apartat de “Heat pumps and refrigerators“), el cicle liquid-vapor de les bombes de calor és un cicle derivat del de Rankine, que es recorre en sentit invers al típic cicle de Carnot de les màquines tèrmiques perquè aquí el que cal bombejar calor. El cicle es mou quasi tota la estona amb el refrigerant en un estat de barreja entre líquid i vapor. La calor es capta de l’aire fred de fora a les fases d’evaporació i expansió, després el fluid es comprimeix mentre s’escalfa en forma de vapor, i finalment deixa anar la calor mentre es condensa.

Tres observacions finals en relació al diagrama de baix. En primer lloc, podem veure que l’eficiència de la bomba de calor compensa el comportament poc eficient de les centrals elèctriques tèrmiques, que implica que per obtenir 0,3 unitats d’energia elèctrica cal cremar al voltant de 0,9 unitats energètiques de combustible (en aquest cas, carbó). En segon lloc, el diagrama no inclou les pèrdues de la bomba de calor que fan que el seu rendiment sigui sempre inferior a l’esperat (si bombegem 0,7 unitats d’energia tèrmica de l’aire fred amb 0,3 unitats d’energia elèctrica, sempre obtindrem, dins de casa, menys de una unitat d’energia tèrmica). Finalment, val a dir que en qualsevol dels casos esmentats, podem disminuir els costos finals si usem sistemes d’emmagatzematge d’energia que permetin acumular-la durant les franges horàries en les que l’energia és menys cara o en les que podem disposar d’energia solar/eòlica distribuïda.

El color negre, els gerros i la física quàntica

dimecres, 23/04/2014

Gerro_ForatNegre1.jpg El problema de la física quàntica és que no és gens intuïtiva. Sempre recordaré una anècdota d’ara fa quaranta anys, quan jo era estudiant de físiques a la UB mentre feia de professor a la UPC. Va ser a classe de mecànica quàntica. Recordo el professor, omplint la pissarra de formules i més formules. Era tota una cadena de raonaments, de petits passos que ens portaven de cada formula a l’esglaó de la següent. En acabar l’hora de classe, va requadrar la darrera equació i va dir: “i això és un àtom d’hidrogen”. Em vaig quedar perplex. Jo havia anat seguint un a un els passos de la demostració, però al final no vaig entendre res. Vaig descobrir que entendre els arbres individualment no ajudava pas a entendre el bosc. De fet, la meva idea d’un àtom d’hidrogen era (i és) una altra cosa ben diferent…

Ludwig Boltzmann, pels voltants de 1870, va re-escriure la termodinàmica en base a la hipòtesi que la matèria és un conjunt d’àtoms, tot utilitzant l’estadística i la llei dels grans nombres. La transmissió de la calor, les lleis de la termodinàmica i el concepte d’entropia van quedar definitivament explicats. La matèria era discreta, no era un gran magma continu. Boltzmann va veure que la interacció constant entre milions i milions de molècules és que el fa que molts fenòmens físics siguin irreversibles. Va entendre que la matèria era discreta i va poder explicar les lleis de la termodinàmica. Però, què és la llum? Què són els colors? Què és el color negre?

La història de la física quàntica ve de lluny. I ve dels molts experiments que es van fer per entendre el significat del color negre. Isaac Newton, l’any 1671, a la seva teoria dels colors, va dir que la llum és color i que la llum blanca conté tots els colors. En contra, i segons Newton, el negre és l’absència de color i de llum. A la nit, tot és negre perquè no hi ha llum. Però per a poder entendre les propietats del color negre, calia fer experiments i disposar d’objectes negres. Otto Lummer i Wilhelm Wien, l’any 1895, van fer una proposta ben senzilla (ja suggerida abans per Kirchoff i Boltzmann). Van proposar que el cos negre ideal fos una cavitat amb un forat. La idea és senzilla. Imagineu qualsevol objecte amb una cavitat suficientment gran i amb un petit forat. El forat es veu negre perquè la poca llum que hi entra acaba essent absorbida per les parets i no torna a sortir. Com que no surt llum, es veu negre, segons la teoria de Newton. És el que podeu veure en el gerro de la foto. El forat del broc és negre. Els físics de finals del segle XIX van fabricar-se recipients de ceràmica amb petits forats negres i van començar a experimentar. I aquí van començar les contradiccions i els problemes. William Herschel va veure que no tots els colors negres eren iguals. Com tot a la vida, tots els negres són iguals, però alguns són més iguals que d’altres. Poseu un termòmetre a mig metre del forat d’un gerro. El termòmetre marcarà la temperatura ambient. Escalfeu ara el gerro posant-lo uns minuts al foc i repetiu l’experiment. El forat és negre com abans, però ara aquest color negre té energia, i el termòmetre puja. Tenim un broc negre que irradia energia. William Herschel va fer un altre experiment, que fàcilment podeu repetir. En una habitació fosca i amb un prisma, va repetir el muntatge de Newton i va descompondre la llum blanca del Sol que entrava per una escletxa de la finestra, projectant els colors de l’arc de Sant Martí a la pared oposada. Va situar un termòmetre en diferents punts, i va veure que no tots els colors de l’espectre escalfaven igual. El termòmetre marcava més temperatura en la zona del vermell que en la del blau. Però el més sorprenent és que a la zona sense llum, la zona negre de més enllà del vermell, el termòmetre encara pujava més. Va descobrir que hi ha colors negres que són més calents que els vermells i que els taronges.

Tot plegat era un embolic. De fet, William Thomson (Lord Kelvin) va donar una conferència l’abril de 1900 sobre els problemes relacionats amb l’èter i amb els cossos negres. Va dir que tots dos eren “núvols”, punts foscos en les teories físiques de la llum i del color, aspectes incomprensibles de la física.

Aviat es va veure que la radiació que surt pels petits forats dels gerros calents i dels forns en equilibri tèrmic es regeix per un espectre de radiació universal que no depèn ni del material de les seves parets ni de la seva forma interna. Només depèn de la temperatura. Es van fer molts experiments i es van poder dibuixar amb precisió les corbes de radiació dels cossos negres. Fixeu-vos en les gràfiques. Nosaltres ho veiem negre perquè, si la temperatura no és massa alta, la radiació és infraroja i cau fora de l’espectre visible. Hi ha radiació però no la veiem. Quan augmentem la temperatura del forn, sí que la corba entra dins l’espectre visible, i el forat es comença a veure vermellós. Per temperatures del forn molt més elevades, la radiació va entrant a la zona dels ultraviolats. Wilhelm Wien va deduir experimentalment una primera formula, anomenada llei de desplaçament o llei exponencial de Wien, per a explicar aquestes gràfiques de radiació dels cossos negres. Va dir que, donada una temperatura T del forn en graus Kelvin, l’energia irradiada a una determinada freqüència de llum f havia de ser proporcional al cub de f i a una funció del quocient f/T. Per tant, si volem tenir radiació a una freqüència més alta (blaus i ultraviolats), hem de fer que T sigui més gran.

Tot va canviar radicalment en només cinc anys. Després de la conferència de Lord Kelvin l’abril de 1900, Max Planck va trobar la formula que explicava les corbes experimentals de radiació dels cossos negres. La va presentar, exhaurint el final del segle XIX, en una ponència a la Societat de Física de Berlín el dia 14 de desembre de 1900 (vegeu nota al final). Havia trobat una funció tal que, en donar valors numèrics a la freqüència f de la llum i a la temperatura T, dibuixava les mateixes corbes que les que s’havien trobat als Laboratoris. El seu mètode va ser molt enginyós, però amb resultats que van sorprendre i desconcertar fins i tot el propi autor. Planck va “trossejar” l’energia de les parets del forn en petits paquets, i va tenir la bona idea de fer-ho amb paquets d’energia proporcional a la freqüència, E=h*f on h era la constant de proporcionalitat (vegeu nota al final). Imagineu que teniu una foto aèria d’una determinada regió desprès d’un incendi forestal, i que voleu calcular el percentatge de superfície cremada. El que va fer Planck és similar a dividir la foto en una quadrícula i mirar quants quadrets són de zona cremada i quants no. El percentatge de zona cremada és aproximadament el nombre de quadrets de zona cremada respecte al total. La idea de Planck va ser fer cada cop més petita la mida de la quadricula (que en el seu cas era justament el valor de la constant de proporcionalitat h) i trobar, en el limit, la formula desitjada. Però el limit no va funcionar. L’aproximació de les corbes experimentals millorava quan baixava la mida de la quadrícula (h) però a partir d’un cert valor, empitjorava. La mida h de la quadrícula tenia un valor òptim, i això implicava que els generadors d’energia de les parets del forn no eren continus sinó discrets, i que la seva mida era h. La física quàntica va començar l’octubre de 1900, quan Max Planck va trobar l’equació matemàtica de les corbes experimentals de radiació dels cossos negres i va calcular l’ara anomenada constant de Planck, h. La formula de Planck només coincidia amb les gràfiques experimentals quan la “mida de la quadrícula” era la constant de Planck, i en canvi no hi coincidia si s’utilitzava una mida més gran o més petita.

Cinc anys després, el 1905, Albert Einstein va anomenar quants als paquets d’energia E=h*f. Einstein va explicar que l’energia d’un cos ponderable no es pot subdividir en un nombre arbitrari de parts arbitràriament petites, i que la segmentació és consubstancial a la radiació. Els quants es van batejar amb el nom de fotons: farcellets limitats d’ones i a la vegada partícules. Com a conseqüència, Einstein va poder explicar la interacció fotons – electrons i l’efecte fotoelèctric en un treball que li va valdre el Premi Nobel. Però Planck es va sentir sempre incòmode amb els seus descobriments, era un conservador que creia en el continu i no en el discret. Planck es va oposar a Einstein perquè opinava que l’energia no era discreta. Opinava que el significat dels quants E=h*f era limitat i que només havia de servir per a les deduccions. Dèia que “la introducció dels quants s’ha de fer amb l’ànim més conservador possible, i només en els casos que demostrin per sí mateixos ser absolutament necessaris”. Planck va descobrir la fisica quàntica malgrat seu. L’any 1931 recordava: “el que vaig trobar va ser un acte de desesperació, ja que sóc pacífic per naturalesa i rebutjo qualsevol aventura dubtosa”.

A la física, tot es va capgirar en cinquanta anys. Pels voltants de 1870, poca gent pensava que la matèria fos discreta i ningú defensava que l’energia ho fos. Al 1920, els físics havien entès i comprovat que la matèria són àtoms i partícules i que l’energia radiant és una munió de fotons. Tot el petit és discret, a l’Univers. Poc després, l’any 1927, Heisenberg va demostrar a més que el món de les partícules i dels fotons és un món que mai coneixerem del tot, perquè és impossible mesurar amb precisió la seva posició i la seva velocitat en un instant determinat. El petit és discret i a més, és una mica secret. Heisenberg deia, en relació a la coneguda frase de Laplace: “si coneixem el present podem predir el futur”, que el que és fals en ella no és la conclusió, “sinó la premissa”. Mai podrem conèixer bé el present. El principi d’indeterminació de Heisenberg va fer caure la ciència dels núvols. La ciència mai ho podrà conèixer tot. Paral·lelament amb Heisenberg, la solució va venir de la mà de l’estadística. Si no podem predir ni el futur ni el moviment de les partícules i dels electrons, el que sí podem fer és calcular cóm evoluciona al llarg del temps la probabilitat de tenir aquestes partícules i electrons en determinats punts de l’espai. Si no podem saber on són, al menys podem saber on és probable que siguin. Schroedinger, l’any 1926, va proposar la coneguda equació d’ona, que descriu la probabilitat de trobar un electró en un punt determinat al voltant del nucli de l’àtom. L’equació d’ona que em van mostrar fa quaranta anys explica tot el que podem saber sobre on trobarem l’electró quàntic de l’àtom d’hidrogen, i ho explica amb un raonament basat en l’observació dels brocs negres dels gerros i forns.

Per cert, George Orwell, al final de “Homenatge a Catalunya” diu: “vigili el lector amb el meu partidisme i amb la inevitable distorsió deguda a que he vist els fets des d’un costat. I tingui també la mateixa cura quan llegeixi altres llibres sobre la guerra civil Espanyola”.

_______________________________________

Nota: Max Planck va convertir el problema continu en un de discret, mètode que ja havia fet servir Arquimedes per a calcular volums de cons i esferes i que van formalitzar Newton i Leibnitz en el seu càlcul infinitesimal. Va postular que la cavitat de forn tenia molts oscil·ladors, i que cada cada un d’ells radiava en una freqüència f amb una energia que era proporcional a la freqüència i que va discretitzar com E=h*f. La seva idea era fer h cada cop més petita i trobar, en el limit, la formula desitjada. Però el limit no va funcionar. La seva formula concordava amb els resultats experimentals quan el valor de la constant h era de h=6,62 per 10 a la -34 Joules per segon. Si en canvi baixava més el valor de h i arribava al limit, l’energia es feia infinita en la zona de l’ultraviolat, cosa que evidentment era falsa i que no concordava amb els resultats experimentals.

La llei de radiació dels cossos negres de Max Planck diu que la densitat d’energia d’un forn a temperatura T (en graus Kelvin) i a la freqüència f (valor que correspon a les ordenades de la gràfica experimental) és C*f*f*f/(exp(a*f/T) – 1), on exp és la funció exponencial, la constant C és 8 vegades el valor 3.14159.. de pi per la constant de Planck h i dividit pel cub de la velocitat de la llum, i la constant a és a=h/k on h és la constant de Planck i k és la constant de Boltzmann, la constant de la formula de l’entropia que podeu veure aquí, gravada a la seva tomba.