Sauna; termodinámica de un pequeño infierno
1995/03/01 Arrasate Aierbe, Javier Iturria: Elhuyar aldizkaria
El día de la boda no es para bromas. Se come, se bebe y se baila desde el mediodía hasta el tarde por la noche, sin que se pueda saciar. Un cuerpo sin costumbre no soporta con facilidad este tipo de juerga. Ver a Xabier era suficiente para estar de acuerdo. El pobre teníamos allí, tumbado en la cama, sin levantarnos, para afrontar el dolor del día siguiente lo mejor posible. Dejando dormido a su vecino, se levantó con cráneo, y abandonando a un lado esas maravillosas chaquetas y pantalones arrugas que había tirado toda la noche en el suelo, se puso el chándal encima, se formó una bolsa deportiva y se acordó de lo que su mejor amigo Joxe Miel recomendó. “¿Has estado alguna vez en la sauna? Debería ir. Con la sudoración se quita la suciedad y es perfecta para relajarse”, le dijo. “Venga. Vamos” pensó Xabier, que era el momento adecuado.
Se desnudó en los vestuarios del polideportivo, se colocaron los chinos y con la toalla en el cuello se dirigió a la puerta de madera con taquilla, con el lema de “¡ahora o nunca!”. Decía “¡Buenos días!” al pobre gordo que estaba tumbado sobre la tripa, con la sudoración de las arrugas de la piel del vientre en los pats. Había tres niveles para sentarse. Se subió a la parte superior y se colocó la toalla estirada en el asiento. Su primer pensamiento fue “¡Vaya calor!”. Y es que esta pequeña habitación, con paredes de madera, techo y suelo, estaba en la caldera, y cuando se daba cuenta de que ella también estaba empapada de sudor. Al acercarse la cabeza hacia el medidor que había sobre el muro, leyó 80 ºC. ¿Cómo puede soportar el hombre un calor tan intenso? “Descárgate a la parte inferior porque ahí está demasiado caliente”, dijo el hombre gordo. Junto al termómetro se encontraba otro medidor llamado higrómetro que representaba el 35%. ¿Qué medición era aquella?
Con estas ideas, al bajar a la parte inferior, se dio cuenta de que el dedo perezoso de la mano derecha se estaba quemando. ¡El anillo de oro que acababa de poner la víspera estaba a punto! Mientras se estaba retirando el anillo, el hombre de antaño preguntó a Xabier si le importaba arrojar un poco de agua a las piedras que estaban más abajo. Responder que no, para tirar lo que quieras. El hombre cogió agua con un torreón de madera y la vertió a la piedra. El agua, a medida que tocaba las piedras, se convirtió en perfume y llegó a la cara en unas rachas calcinantes. ¡Aquel infierno era insostenible! Fueron diez minutos pasados y en lugar de ahogarse abrió la puerta y se fue, huyendo del infierno en busca del cielo...
Hasta ahora, la anécdota que ha pasado a Xabier, puede suceder a cualquier persona, y son, sin duda, sucesos que todo aquel que tiene curiosidad científica ha reflexionado varias veces al pasar por la sauna. El objetivo de este trabajo es dar respuesta científica a los sucesos ocurridos en el pasado, y para ello tenemos que hablar de dos temas principales: la naturaleza del aire y la transmisión del calor. Comenzamos con el primero sin extendernos más en las entradas.
El aire, además de ser una mezcla de varios gases, tiene la capacidad de almacenar el agua en estado de vapor. El aire de nuestra atmósfera tiene agua. Por ello se le denomina aire húmedo. ¿En qué proporción aire y en qué proporción agua? Bueno, como aclaración, en la presión normal de la atmósfera y a 25ºC cada kilogramo de aire seco tiene una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 20 gramos de agua. A un aire de menor cantidad, en estas condiciones, se le puede añadir agua y absorberla. Sin embargo, si al aire que está almacenando esta gran cantidad le damos una gota de agua distinta, el aire no lo recogerá y como líquido quedará en cualquier superficie de su entorno.
Esta cantidad de agua en el aire, con la presión constante, depende de la temperatura: a mayor temperatura, mayor cantidad posible. Es evidente la necesidad de una medida que relaciona la cantidad de agua que contiene el aire y la que puede contener en igualdad de condiciones. Existe y es que nos lo da el higrómetro que vio Xabier. La lectura del 35% es la siguiente: A 80 ºC, si un kilogramo de aire seco puede contener 544 gramos de agua, el aire de la sauna por hora tenía el 35% de esa cantidad, es decir, 190 gramos.
Hay una serie de hechos que pueden aparecer en la naturaleza a través de lo anterior, como el caso del rocío. Supongamos que la humedad del aire a 25ºC durante el día, medida por un higrómetro, es del 50%. En consecuencia, en cada aire seco hay 10 gramos de agua. Por la noche la temperatura ha bajado mucho hasta los 0º C y todo lo que puede estar a esta nueva temperatura es sólo 4 gramos. ¿Qué les pasa a otros 6 gramos? Aparece como líquido en la hierba, en los automóviles...
El segundo tema a tratar era la transmisión del calor. Vamos. Vamos a explicar primero qué es el calor. Si se ponen en contacto dos cuerpos a diferentes temperaturas, la energía pasará del cuerpo más alto al otro, hasta igualar las temperaturas de ambos. Esta última situación es equilibrada y caliente, es decir, la energía pasada. No obstante, esta transmisión de calor puede producirse de tres formas. Vamos a analizarlos uno a uno.
La primera es la conducción. Los cuerpos están formados por fracciones menores. Estos tienen movimiento vibratorio y cuanto más rápido es el movimiento, cuanto más alto es lo que nosotros conocemos como temperatura. Cuando lo ponemos en contacto con el cuerpo a menor temperatura, este movimiento se transmite a las partículas del otro cuerpo. Como aclaración, cuando estás agarrando con la mano el extremo de una mástil de hierro y calentas el otro extremo en el fuego, al poco tiempo serás capaz de sentir ese calor en la mano.
Recordad también el caso del anillo de Javier. Su dedo no estaba a una temperatura superior a 36 ºC. Sin embargo, el anillo parecía estar a mayor temperatura y por eso quemó el dedo. La transmisión de calor entre sólidos se produce así. Sin embargo, en unos sólidos más rápido que en otros. Imaginemos dos casas aparentemente iguales (muros de igual grosor, iguales en tamaño, igual diferencia de temperatura entre el exterior y el interior...) pero en un caso con muros de madera y en el otro de metal. ¿Cuál se enfría más rápido? La experiencia nos demuestra que el metal se enfría más rápido, ya que los metales son buenos conductores del calor.
Sin embargo, y como se ha dicho al principio, no es la única manera de hacerlo. En pleno invierno, cuando encendemos las calefacciones en las casas, éstas calientan el aire que tienen a su lado por conducción. La densidad de este aire disminuye y, según explicó antiguamente Arquímedes, asciende. En su movimiento ha aumentado el calor inferior. En la conducción no había movimiento medio de la masa. Aquí sí. Esta segunda forma se llama convección y la podemos ver en la leche que calentamos cada mañana. Este tipo de transmisión siempre aparece si hay gas o líquido implicado en el medio de transmisión. La naturaleza del fluido, alrededor del sólido que calienta o enfría su movimiento, la geometría de este sólido y otros muchos factores tienen importancia en la velocidad de transmisión del calor.
Veamos la siguiente analogía que nos ayuda a aclarar conceptos para los casos de conducción y convección.
Mientras haya una diferencia de altura entre los niveles de agua de ambos recipientes, fluirá agua de una a otra, como si se mantuviera la diferencia de temperatura, se produjera una fuga de calor. ¿Hasta cuándo? Hasta igualar alturas/temperaturas. ¿De qué depende que sea más rápido o más lento? Dependiendo de las características del conducto intermedio: sección estrecha o ancha, superficie rugosa o totalmente lisa, etc. Al tubo le corresponde una resistencia hidráulica que depende de estas características. Nosotros hablamos de resistencia térmica, y el material o entorno que dificulta mucho el flujo de calor, para nosotros será de gran resistencia térmica. Al hablar de conducción hemos mencionado dos casas.
En un caso los muros eran de madera, en el otro de metal. Las primeras tienen mayor resistencia térmica, por lo que conservarán mejor el calor interior.
Sin duda, en nuestra sauna, y siendo el fluido el aire húmedo, la convección es la principal de las dos formas anteriores. Recordad, si no, el momento en el que el hombre lanza un brochetón a las piedras. El agua, nada más tocar las piedras que estaban a cientos de grados, se convirtió en vapor y se dirigió a las corrientes convectivas a una velocidad fuerte.
Sin embargo, existe un tercer modo: la radiación.
Preguntad a vosotros mismos que, siendo casi vacío el espacio entre el sol y la tierra, ¿cómo llega la energía emitida por el sol al suelo? Si el sol calienta la tierra (siendo imposible la conducción y la convección; no hay masa), ¿cómo se transporta hasta aquí esa energía? Esta es la última forma.
La superficie de cualquier cuerpo emite energía adecuada a su temperatura mediante ondas electromagnéticas capaces de atravesar el espacio vacío. La cantidad de energía depende de las características de la superficie. Esta energía está dividida en diferentes longitudes de onda, cuya mayor parte se encuentra en un intervalo de longitud de onda.
El ser humano, al estar a 36ºC, emite energía, la mayor parte en ondas infrarrojas. Por ello, ayudados por unos prismáticos especiales, cualquier persona o animal se encontraría en un entorno de menor temperatura. ¿No habéis visto la película “Depredador” de Arnold Schwartzenegger? En ella una bestia envolvente de otro planeta la ve en el espectro infrarrojo. Consciente de ello, nuestro gigante Arnold ha frotado todo el cuerpo con un barro más frío, lo que le ha permitido escapar.
Expuesto todo lo anterior, estamos dotados de las teorías necesarias para hacer algunas reflexiones y, simplemente, para responder a los interrogados en la sauna.
¿Cómo se calienta? A través de estos pedregosos. Estos tienen un objetivo importante: almacenar gran cantidad de calor y liberarlo lentamente. ¿Por qué? Debido a su alta resistencia térmica, la liberación de calor es progresiva. Por otro lado, para que su temperatura suba un grado hay que darle mucho calor. Por ello, conservan un gran calor para su temperatura.
En varios hogares, y aprovechando el peaje eléctrico nocturno más barato, los llamados acumuladores de calor calientan mediante resistencias eléctricas ladrillos refractarios (resistentes a altas temperaturas sin fisurar). Sus características son similares a las de las piedras de Sauna, lo que permite calentar la casa durante el día. Es decir, consumir de noche y calentar de día.
Las principales vías para calentar la sala son la convección y la radiación. La energía radiante no queda directamente en el aire, ya que esta última puede considerarse transparente a las ondas electromagnéticas. Lo absorben las paredes. Por otra parte, el aire en contacto con las piedras está en continuo movimiento en las corrientes de convección, manteniendo la temperatura de la habitación bastante homogénea. Sin embargo, como el aire más caliente es más ligero, se acumula en la parte superior y por eso, estando sentado arriba, Javier sintió más calor.
¿Por qué aumentó la sensación de calor cuando echó agua a las piedras? A mayor humedad relativa del aire, menor resistencia térmica entre cuerpo y aire. Por lo tanto, el flujo de calor hacia el interior del cuerpo aumentará y nosotros, si queremos mantenerlo a la misma temperatura, tendremos que liberar más calor. Nuestro mecanismo es el sudor.
Esta explicación responde a otras preguntas más cotidianas. ¿No habéis oído nunca que el frío de aquí, por ejemplo 5 ºC de aquí, es más frío que 5 ºC de Madrid? Al tener más humedad de aquí, ¡el calor nos va más fácil!
En equilibrio termodinámico, todos los objetos interiores están a la misma temperatura. Es decir, la toalla y el anillo están a 80ºC. ¿Por qué el anillo quema y la toalla no? El anillo está en contacto directo con el dedo. La conducción es la única forma de pasar calor entre ambos. Su resistencia térmica es baja y al tocarla se entra mucho calor. Ahí está la sensación de calor. Sin embargo, la toalla es muy mala conductora, de gran resistencia, y a pesar de la misma diferencia de temperatura, tiene grandes obstáculos para que el calor entre en nosotros. La toalla se siente caliente pero no fuma.
¿Por qué los muros son de madera y no de metal? La misma respuesta que la anterior. Nuestro Javier salió a toda velocidad y no hizo ninguna reflexión sobre ello. Al cabo de unos días, con el cuerpo más preparado, volvió, y en ese momento sí, empezó a romper la cabeza. En la biblioteca del pueblo abrió un libro lleno de polvos titulado “Termodinámica” y comenzó a aprender... Hasta ahora.
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