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LA ENTROPÍA

¿Qué es la entropía?

En nuestra vida a veces ocurren sucesos que nos gustaría revertir. Son sucesos con un resultado desagradable y en ocasiones quisiéramos retroceder en el tiempo para haber encajado la situación desde otra perspectiva, y haber obtenido con ello, un resultado más favorable para nosotros. Sin embargo, no podemos volver en el tiempo, eso es inevitable, al igual que hay procesos que no somos capaces de revertir a su estado inicial.

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Si buscamos en el diccionario de la RAE, tenemos dos acepciones:

  1. F. Fis. Magnitud termodinámica que mide la parte de la energía no utilizable para realizar trabajo y que se expresa como el cociente entre el calor cedido por un cuerpo y su temperatura absoluta.
  2. F. Fis. Medida del desorden de un sistema. Una masa de una sustancia con sus moléculas regularmente ordenadas, formando un cristal, tiene entropía mucho menor que la misma sustancia en forma de gas con sus moléculas libre y en pleno desorden.

Por lo que vemos dos definiciones que parecen contrarias; la primera hace referencia a la energía y la segunda a la materia.

Según la teoría de la relatividad de Albert Einstein, ambas quedan relacionadas en la siguiente expresión: E=mc2.

Por lo tanto, vemos que por una parte tenemos que, en los procesos termodinámicos hay una parte de la energía que no se va a poder utilizar para realizar un trabajo, y esa energía se va a degradar; simplemente pasará a un estado en el que no podrá ser utilizada nuevamente.

Por otra parte, en la segunda acepción, vemos que se asocia a un grado de desorden de un sistema, de ahí la imagen de cabecera; con una casa que parece que ha vivido una situación algo caótica y se encuentra todo desordenado.

No obstante, habrá advertido el lector que, con un poco de limpieza y orden, todo volverá a estar en su estado inicial.

A veces, para poder comprender el funcionamiento del universo, debemos afrontarlo desde un punto de vista simple, en algunos casos esa simplificación, cuando tenemos niveles pequeños de entropía nos permite simular el problema con si se tratara de un proceso reversible. En la naturaleza, eso no es posible, aparentemente podremos dejar la casa tal y como estaba, pero ni la materia estará tal y como estaba, ni podremos volver a utilizar la energía que se utilizó para desordenarla.

Después de ver un ejemplo sencillo, vamos a ver lo que sería la vida real, con procesos irreversibles.

Foto de Wendelin Jacober en Pexels

Vaya, parece que en este sistema hay un gran desorden, seguramente podamos afirmar que la entropía ha aumentado de forma importante.

En este caso, vemos claramente que hay elementos rotos que no podrán volver a estar tal y como estaban.

También vemos mucho caos, y este no nos permite interpretar como era esa vivienda en su estado original; se ha perdido información.

La entropía habitualmente tiene connotaciones negativas, por esa referencia al desorden y la pérdida de información que nos evocan mentalmente un aspecto destructor. Sin embargo, por el primer principio de la termodinámica sabemos que la energía no se crea, ni se destruye, tan solo se transforma; al igual que le sucede a la materia.

Ambas imágenes representan distintos estados del universo, y una parte de nuestro cerebro racional nos dice que la imagen bonita es la primera; porque representa el orden y la lógica, todo aquello que es predecible y nos aporta seguridad. Y la segunda imagen, en aquellas partes de nuestro cerebro más enfocadas a la intuición también nos dará mucha información.
Ambas imágenes son bellas, la primera porque vemos con los ojos y la segunda porque tenemos que interpretar que es lo que vemos, y nuestro sentido de la vista pasa a ser la mente.

Dado que el uso de la energía es uno de los mayores retos de la humanidad y consciente de la necesidad de un uso eficiente, uno de los procedimientos para limitar la entropía es realizar un ciclo cerrado. ¿Os acordáis de cuando hablaba de viajar al pasado? Bueno, no es posible, pero siempre os quedará mirar al cielo en una noche estrellada de verano.
Mientras tanto, una forma de reducir la entropía es manteniendo un ciclo constante que no permita disgregarse a la materia.

Cuando quemamos propano o butano en una caldera, parte de esa materia no quedará útil para continuar el mismo proceso, sin embargo, si lo sometemos a un ciclo cerrado de compresión de vapor, (mediante los refrigerantes R-290 y R-600) tendremos la misma obtención de energía, (aunque hayamos tenido que aportar una parte) y no haremos una transformación de la materia, más lejos de un cambio de fase.

Foto de Mikhail Nilov en Pexels

En los ciclos cerrado, la materia no tiene transformaciones químicas, solamente físicas, y eso nos permite realizar un proceso cíclico sin esa, si me permitís, “destrucción” de materia.

Podemos ver en la siguiente imagen, un ciclo frigorífico que plasma un suceso idealizado de la realidad sobre un diagrama de Mollier.

Tenemos un ciclo cerrado con dos isotermas-isobaras y dos adiabáticas. La adiabática de la izquierda corresponde a la expansión del refrigerante, la isoterma-isobara inferior corresponde la evaporación, la adiabática derecha viene marcada por las rectas de entropía constante, con lo cual siguiendo ésta hasta la temperatura de la isoterma-isobara superior, que corresponde a la condensación, tendremos la temperatura de salida del compresor. En este caso, lo he marcado con una flecha: 80ºC.

Como ya se ha dicho, esto no es un proceso real, y tampoco es un gas ideal, por lo que, para no hacerlo más complicado, teniendo en cuenta que la variación de entropía representa una parte pequeña de la energía aportada y aprovechada, podemos volver a la imagen inicial, y pensar que con un poco de limpieza el sistema estará otra vez como antes, y aplicarlo a este proceso, como si la entropía fuera constante.

De esta forma se estudian muchos fenómenos de la naturaleza, simplificando.

En cualquier caso, una cosa sí que será inevitable: no tendremos menos entropía al final que al principio.

 

Autor: Pablo García 

Alumno del grado de Organización Industrial en la Udima

Energía solar termodinámica: alternativa energética

En estos días, donde las energías alternativas están cobrando un papel protagonista en el sector energético, el desarrollo de tecnologías de última generación, como ventanas o celdas o paneles solares termodinámicos, están aportando un valor añadido al mundo de las energías renovables tal y como lo conocemos. Y es que no debemos olvidar que 2020 va a suponer para España y toda Europa un cambio en relación a la eficiencia energética. Es el comienzo para alcanzar consumo energético casi nulo. Una nueva situación que afecta, en mayor medida, a los edificios con la nueva directiva de eficiencia energética establecida por la Unión Europa (EPBD). Una normativa con la que se espera un ahorro de energía de entre el 60% y el 80% en los nuevos edificios. Por ello el compromiso con el desarrollo de nuevas tecnologías, permite maximizar la calidad del sector. Así como el bienestar y habitabilidad del planeta. Un compromiso que podemos encontrar en la energía solar termodinámica.

¿Qué es la energía solar termodinámica?

La energía solar termodinámica es una evolución de la energía solar tradicional. Es un novedoso sistema que aprovecha la diferencia entre la temperatura del líquido que hay en los paneles termodinámicos y la temperatura ambiente. ¿Y cómo se produce esto? Los paneles solares termodinámicos llevan un líquido refrigerante a una temperatura muy baja que produce un intercambio de calor con la temperatura ambiente. Siempre y cuando no sea más baja que la del líquido refrigerante. Esto permite producir energía en cualquier momento del día. Es decir, tanto de noche como en condiciones climatológicas adversas, lluvia, viento, etc. Y es aportando agua caliente sanitaria, calefacción y soporte para piscinas. Así que al poder funcionar con diversas condiciones climatológicas, la instalación de un panel solar termodinámico no está limitada únicamente a regiones con muchas horas de sol. Todo un beneficio.

¿Sabías que las placas solares termodinámicas tienen un ahorro estimado de un 75% en el consumo eléctrico?

Además, su vida útil suele rondar los 25 años. Están fabricados generalmente en aluminio, por lo que su peso es bastante ligero. Alrededor de 8 kg. Es un material muy resistente a las variaciones de las temperaturas, así como a la abrasión y al desgaste. El precio de una instalación de un panel solar termodinámico suele estar entre los 1.500€ – 3.000€. Pero este puede variar según el número de paneles y la dificultad de la propia instalación.

Aplicaciones de la energía solar termodinámica

Para mantener una buena relación, la producción de energía solar térmica debe ser de 4 KW con un consumo de 1KW. Cuando la energía solar térmica se mantiene a un nivel similar al del consumo, no estamos logrando ahorro. Por este motivo, antes de llevar a cabo la instalación de un panel solar termodinámico, debemos tener en cuenta este aspecto y valorar si podremos generar la suficiente energía solar térmica para que sea rentable. No solo habrá que tener en cuenta la propia instalación, sino también, valorar la situación meteorológica en la zona en la que queramos aprovechar la energía solar termodinámica.

Cómo funciona la energía solar termodinámica

A primera vista, una instalación de este tipo parece similar a una instalación de paneles solares convencionales, si bien su modo de funcionamiento es completamente diferente y resultaría similar a un sistema de climatización por bomba de calor. En una instalación convencional de paneles solares circula un fluido que se calienta a su paso por los paneles debido a la incidencia directa de los rayos solares. Este tipo de energía solar aprovecha el calor para calentar agua. El agua es transformada después en vapor, que a su vez mueve unas turbinas. La acción de esas turbinas es lo que permite producir electricidad. No se produce electricidad directamente. Esta es una manera muy similar a cómo se obtiene energía eléctrica partiendo de la quema de combustibles fósiles. En este caso, no hace falta quemar nada para que se puedan mover las turbinas, el calor del sol lo hace y, además, al ser vapor de agua, no hay residuos nocivos de ninguna clase.

Importante en lo que se refiere a su funcionamiento

No hay que olvidar, que es necesaria una gran cantidad de calor para conseguir ese efecto y eso se consigue concentrando el calor del sol en unos puntos muy determinados. Por eso, no se usan paneles solares fotovoltaicos, que emplean un principio muy diferente, sino que se utilizan colectores de energía. Cuando éramos pequeños aprendimos en la escuela que, con una lupa y un día soleado, podíamos concentrar la energía del sol en un punto. En ese caso, conseguimos tal concentración de calor que se pueden incluso prender cosas que ardan. El funcionamiento de la energía solar termodinámica es, a grandes rasgos, lo mismo. El calor en este caso no se concentra sobre un punto para que arda, sino sobre lo que se llama un fluido termovector. Este fluido tiene unas excelentes capacidades de transmisión del calor y suele estar compuesto de agua y anticongelante. Después, entra en contacto con agua y produce el vapor que mueve las turbinas.

¿Qué beneficios tiene la energía solar termodinámica?

  • Mantenimiento: estas instalaciones necesitan un mantenimiento mínimo.
  • Gas refrigerante: no es necesario recargar periódicamente el gas refrigerante. Además, no es tóxico y las fugas son fácilmente detectables.
  • Menos control de funcionamiento: Los paneles no tienen que purgarse, ni ser cubiertos en verano para proteger la instalación contra sobrepresiones.
  • Efectivos 365 días: en invierno no se corre el riesgo de que los paneles se congelen.
  • Sin sistemas de apoyo: las instalaciones termodinámicas garantizan por sí mismas el 100% del suministro sin necesidad de calderas de apoyo.
  • Alta calidad de material: panel muy ligero (7,6 kg) y ultra plano (grosor 2 cms).
  • Fácil instalación: no necesita ningún tipo de obra ni refuerzo del tejado y se pueden utilizar por las dos caras. Además, la instalación se puede realizar en menos de 4 horas.
  • Duraderos: los materiales con los que están fabricados son anticorrosivos y pueden durar varias décadas, no tienen problemas de congelación ni de dilatación.
  • Eficiente: este sistema es un 20% más eficiente que los sistemas térmicos en el mercado. Capaz de trabajar durante todo el año con o sin radiación solar. ACS durante los 365 días del año día y noche.

Energía solar térmica y termodinámica: ¿es lo mismo?

No. Es muy frecuente confundir la energía solar termodinámica con la térmica , ya que ambas hacen uso de los rayos solares para funcionar. Sin embargo, la principal diferencia entre ambas es que en la térmica, solo es posible generar energía a partir de la radiación solar. Mientras que la energía solar termodinámica puede servirse del viento, de la lluvia o del propio aire. Esto se debe a que los paneles solares termodinámicos funcionan por la diferencia de temperatura. Es decir, siempre que la temperatura del panel sea superior a los -7º, el sistema podrá proporcionar agua caliente sanitaria a unos 60º.

En lo que respecta al propio funcionamiento, también hay diferencias en la instalación de un panel solar termodinámico. En esta se utiliza una bomba de calor que tiene ganancia solar. Sin embargo, en la solar térmica se utiliza un acumulador de calor. Por último, la energía térmica debe estar siempre orientada al sur. De este modo, puede obtener la mayor cantidad de luz solar a lo largo del día. Por el contrario, en la energía solar termodinámica puede existir cierta variación en su posición. El motivo estás en que, como hemos dicho, es posible utilizar otras condiciones meteorológicas para funcionar.