La Física en las Habitaciones

La Física en las Habitaciones

A continuación, en este capítulo, se presenta y discute una serie de procesos que tienen lugar en uno de los ambientes más importantes del hogar: sus habitaciones.

El aire acondicionado y el ventilador

El primer intento de ambientación se asigna a Cornelius Drebbel, alquimista y mago del Rey Jaime I de Inglaterra, cuando en el verano de 1620 diseñó un sistema de enfriamiento con hielo, sal común y un ventilador. Dos siglos después, William Thomsom (Lord Kelvin) estableció en 1842, en base a los trabajo previos de Nicolás Leónard Sadi Carnot y James Prescott Joule,  los principios termodinámicos fundamentales para el funcionamiento del aire acondicionado, a saber: 

1) Ley cero: El calor se propaga espontáneamente de los cuerpos calientes (con mayor temperatura) a los cuerpos fríos (menor temperatura).  

2)La energía se puede convertir de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir. 

3) La eficiencia de una máquina térmica no llega al cien por ciento de su funcionamiento.

Además ya se conocía que durante los cambios de fase (líquido a gas o gas a líquido, por ejemplo) los materiales absorben y ceden calor sin variar la temperatura y se había establecido la ecuación de estado del gas ideal: La presión es directamente proporcional a su temperatura. Así que a partir de este conocimiento, en 1902, Willis Carrier sentó las bases de la refrigeración moderna al investigar el control de la humedad por medio de tubos de enfriamiento. Sin embargo, no fue hasta 1928 que fabricó un equipo doméstico que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire, tal como lo hace el aparato que usamos actualmente en nuestros hogares.

            El aparato de aire acondicionado no solamente enfría, al disminuir la temperatura del aire de los recintos; también se usa para el tratamiento de la humedad del aire de un recinto cerrado, su movimiento y purificación. Funciona de modo parecido al de una nevera: extrae parte de la energía térmica en forma de calor y la humedad del aire del interior de la habitación, y la cede al exterior hasta que se alcanza una temperatura inferior a la del aire externo.

            El aire de una habitación esta compuesto principalmente por oxígeno, nitrógeno y vapor de agua; este último componente es el introduce el concepto de humedad en el ambiente.

            La humedad, expresada en forma absoluta o relativa, es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire. La humedad absoluta, cantidad de vapor que contiene el aire, se mide en gramos de agua por kilogramos de aire seco (g/kg) o gramos de agua por unidad de volumen (g/m³). La humedad depende de la temperatura: a mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua  acumula el aire. La humedad relativa es la humedad absoluta de cierta masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin que ocurra la condensación. Se expresa en porcentaje; así por ejemplo, con una temperatura de 30 C y presión atmosférica de 1 Atm., 10 % de humedad relativa significa una atmósfera bastante seca; en cambio, 95 %, una atmosfera sobrecargada de vapor de agua, muy húmeda y desagradable para vivir en ella.

            La sensación de confort que sentimos en un recinto depende de la temperatura del aire y de la humedad. Nos sentimos acalorados no sólo porque sea alta la temperatura del aire, sino también por lo elevado de su humedad. El cuerpo humano transpira constantemente por la piel. Durante este proceso la piel segrega sudor, agua con sales minerales (sodio y potasio) y toxinas, el cual al evaporarse, absorbe calor de la piel y nos enfriamos. Este es el mecanismo de termorregulación del cuerpo.

            Dos factores intervienen en esta regulación:

1) La producción del calor corporal: El cerebro, a través de su hipotálamo, mantiene estable la temperatura corporal. Con el ejercicio físico (aeróbico o anaeróbico) se libera calor; si es alta la temperatura del aire que nos rodea, también se libera calor; si la temperatura es muy baja, se  producen contracciones musculares involuntarias en nuestro cuerpo y se genera calor. A consecuencia de esta liberación de calor, el cuerpo segrega sudor.

 2) La eliminación del calor por evaporación: Se conoce que el calor latente de vaporización del agua es muy grande: a 20 ºC hay que comunicarle 585 calorías para evaporar un gramo. En consecuencia, cómo absorbe bastante calor para evaporarse, enfría nuestra piel. Si se evapora todo el sudor que segregamos no se forman gotas sobre la piel: la cantidad de agua que segregamos es igual a la cantidad de agua que se evapora. Pero, si realizamos un trabajo mecánico segregamos más sudor del que se evapora y nos empapamos.

Con el calor absorbido de la piel, las moléculas de agua adquieren la energía necesaria para escapar a través de la interfase agua-aire y se convierte en vapor; pero, al mismo tiempo como el aire está húmedo, una fracción importante de moléculas de agua del vapor pasará a la fase líquida. Si el aire está muy seco (poca humedad) la tasa de moléculas de agua del sudor que pasa de la fase líquida a la de vapor (evaporación) es mucho mayor que la tasa de moléculas de agua del vapor del aire que pasan a la fase líquida en el sudor (condensación) y se siente una sensación de frescura. Si ocurre lo contrario, la tasa de moléculas de agua del vapor condensando en la piel es igual o mayor que la que se evapora y la piel se mantiene húmeda con la subsiguiente sensación de sofocación. Un mecanismo usado con mucha frecuencia es la ventilación manual con abanico para generar un flujo de aire que permita incrementar la tasa de evaporación sobre la piel. Por supuesto, con un ventilador eléctrico el proceso es más eficiente.

            Así que, cuando sudamos, el sudor se evapora y forma una capa de vapor cerca de nuestra piel. Sin embargo, si la humedad del aire es muy alta (70%), este vapor se encuentra saturado e impide que sea eficiente el proceso de evaporación. En estas condiciones sentimos que nos “sofocamos de calor”. Con un flujo de aire fresco del mismo recinto podemos quitar esta capa de vapor que se posa sobre la piel y permitir que más moléculas de agua se evaporen y enfríen nuestro cuerpo.

            Sin embargo, dentro de un recinto que tenga un aparato de aire acondicionado funcionando, la temperatura es inferior a la de nuestra piel y la humedad relativa del aire es baja. En estas condiciones, la tasa transpiración del sudor es igual que la tasa de evaporación del sudor y sentimos confort.  Si la temperatura del aire está muy baja sentimos frío porque, en este caso, el aire frió del ambiente le quita calor a la piel.   

El aparato de aire acondicionado usa una sustancia  refrigerante (R22), el cual comienza en un estado termodinámico particular, pasa por una serie de procesos físicos con cambio de estados y retorna a su condición inicial. Esta serie de procesos se denomina "ciclo de refrigeración" (ver http://www.servinel.es/uploads/noticias/13112005como_funciona.pdf).

Se propone realizar los siguientes experimentos:

a)  Colóquese frente al ventilador eléctrico inmediatamente después del baño acostumbrado con la piel aún húmeda. Compare la sensación que se siente en la piel con y sin ventilador.

b)     Describa el proceso que ocurre cuando se lampacea el piso. ¿En cuánto tiempo se seca el piso? ¿Se seca más rápido si abre las ventanas para que circule el aire desde el exterior? ¿Qué papel juega el tamaño de la superficie?

c)     Humedezca con alcohol la piel de su brazo y sople. ¿Qué se siente y por qué? Este es un conocido método físico para bajar la fiebre usando agua con un poquito de alcohol.

d)     Vierta por separado el mismo volumen de agua y alcohol en dos vasos idénticos de cristal. Déjelos destapados por un mes y determine cuál sustancia se evapora más rápido.


En  http://www.tutiempo.net/tiempo/Venezuela/VE.html puede consultar datos meteorológicos  de Venezuela y demás países.