Sauna; termodinámica dun pequeno inferno

1995/03/01 Arrasate Aierbe, Javier Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Teknologia
• Fisika

O día da voda non é paira bromas. Cómese, bébese e báilase desde o mediodía até o tarde pola noite, sen que se poida saciar. Un corpo sen costume non soporta con facilidade este tipo de esmorga. Ver a Xabier era suficiente paira estar de acordo. O pobre tiñamos alí, tombado na cama, sen levantarnos, paira afrontar a dor do día seguinte o mellor posible. Deixando durmido ao seu veciño, levantouse con cranio, e abandonando ao carón esas marabillosas chaquetas e pantalóns engurras que tirara toda a noite no chan, púxose o chándal encima, formouse una bolsa deportiva e acordouse do que a súa mellor amigo Joxe Mel recomendou. “Estiveches algunha vez na sauna? Debería ir. Coa sudoración quítase a sucidade e é perfecta paira relaxarse”, díxolle. “Vinga. Imos” pensou Xabier, que era o momento adecuado.

Espiuse nos vestiarios do polideportivo, colocáronse os chineses e coa toalla no pescozo dirixiuse á porta de madeira con despacho de billetes, coa lema de “agora ou nunca!”. Dicía “Bos días!” ao pobre gordo que estaba tombado sobre a tripa, coa sudoración de engúrralas da pel do ventre nos pats. Había tres niveis paira sentar. Subiuse á parte superior e colocouse a toalla estirada no asento. O seu primeiro pensamento foi “Vaia calor!”. E é que esta pequena habitación, con paredes de madeira, teito e chan, estaba na caldeira, e cando se daba conta de que ela tamén estaba empapada de suor. Ao achegarse a cabeza cara ao medidor que había sobre o muro, leu 80 ºC. Como pode soportar o home unha calor tan intensa? “Descárgache á parte inferior porque aí está demasiado quente”, dixo o home gordo. Xunto ao termómetro atopábase outro medidor chamado higrómetro que representaba o 35%. Que medición era aquela?

Con estas ideas, ao baixar á parte inferior, deuse conta de que o dedo perezoso da man dereita estaba a queimarse. O anel de ouro que acababa de pór a véspera estaba a punto! Mentres se estaba retirando o anel, o home de outrora preguntou a Xabier si importáballe arroxar un pouco de auga ás pedras que estaban máis abaixo. Responder que non, paira tirar o que queiras. O home colleu auga cun torreón de madeira e a vertió á pedra. A auga, a medida que tocaba as pedras, converteuse en perfume e chegou á cara nuns refachos calcinantes. Aquel inferno era insustentable! Foron dez minutos pasados e en lugar de afogarse abriu a porta e foise, fuxindo do inferno en busca do ceo...

Até agora, a anécdota que pasou a Xabier, pode suceder a calquera persoa, e son, sen dúbida, sucesos que todo aquel que ten curiosidade científica reflexionou varias veces ao pasar pola sauna. O obxectivo deste traballo é dar resposta científica aos sucesos ocorridos no pasado, e paira iso temos que falar de dous temas principais: a natureza do aire e a transmisión da calor. Comezamos co primeiro sen estendernos máis nas entradas.

O aire, ademais de ser una mestura de varios gases, ten a capacidade de almacenar a auga en estado de vapor. O aire da nosa atmosfera ten auga. Por iso denomínaselle aire húmido. En que proporción aire e en que proporción auga? Bo, como aclaración, na presión normal da atmosfera e a 25ºC cada quilogramo de aire seco ten una capacidade de almacenamento de aproximadamente 20 gramos de auga. A un aire de menor cantidade, nestas condicións, pódeselle engadir auga e absorbela. Con todo, si ao aire que está a almacenar esta gran cantidade dámoslle una pinga de auga distinta, o aire non o recollerá e como líquido quedará en calquera superficie da súa contorna.

Esta cantidade de auga no aire, coa presión constante, depende da temperatura: a maior temperatura, maior cantidade posible. É evidente a necesidade dunha medida que relaciona a cantidade de auga que contén o aire e a que pode conter en igualdade de condicións. Existe e é que nolo dá o higrómetro que viu Xabier. A lectura do 35% é a seguinte: A 80 ºC, se un quilogramo de aire seco pode conter 544 gramos de auga, o aire da sauna por hora tiña o 35% desa cantidade, é dicir, 190 gramos.

Hai una serie de feitos que poden aparecer na natureza a través do anterior, como o caso do rocío. Supoñamos que a humidade do aire a 25ºC durante o día, medida por un higrómetro, é do 50%. En consecuencia, en cada aire seco hai 10 gramos de auga. Pola noite a temperatura baixou moito até os 0º C e todo o que pode estar a esta nova temperatura é só 4 gramos. Que lles pasa a outros 6 gramos? Aparece como líquido na herba, nos automóbiles...

O segundo tema a tratar era a transmisión da calor. Imos. Imos explicar primeiro que é a calor. Se se pon en contacto dous corpos a diferentes temperaturas, a enerxía pasará do corpo máis alto ao outro, até igualar as temperaturas de ambos. Esta última situación é equilibrada e quente, é dicir, a enerxía pasada. No entanto, esta transmisión de calor pode producirse de tres formas. Imos analizalos uno a un.

A primeira é a condución. Os corpos están formados por fraccións menores. Estes teñen movemento vibratorio e canto máis rápido é o movemento, canto máis alto é o que nós coñecemos como temperatura. Cando o pomos en contacto co corpo a menor temperatura, este movemento transmítese ás partículas do outro corpo. Como aclaración, cando estás a agarrar coa man o extremo dunha mastro de ferro e calentas o outro extremo no lume, ao pouco tempo serás capaz de sentir esa calor na man.

Lembrade tamén o caso do anel de Javier. O seu dedo non estaba a unha temperatura superior a 36 ºC. Con todo, o anel parecía estar a maior temperatura e por iso queimou o dedo. A transmisión de calor entre sólidos prodúcese así. Con todo, nuns sólidos máis rápido que noutros. Imaxinemos dúas casas aparentemente iguais (muros de igual grosor, iguais en tamaño, igual diferencia de temperatura entre o exterior e o interior...) pero nun caso con muros de madeira e no outro de metal. Cal se arrefría máis rápido? A experiencia demóstranos que o metal se arrefría máis rápido, xa que os metais son bos condutores da calor.

Con todo, e como se dixo ao principio, non é a única maneira de facelo. En pleno inverno, cando acendemos as calefaccións nas casas, estas quentan o aire que teñen ao seu lado por condución. A densidade deste aire diminúe e, segundo explicou antigamente Arquímedes, ascende. No seu movemento aumentou a calor inferior. Na condución non había movemento medio da masa. Aquí si. Esta segunda forma chámase convección e podémola ver no leite que quentamos cada mañá. Este tipo de transmisión sempre aparece si hai gas ou líquido implicado no medio de transmisión. A natureza do fluído, ao redor do sólido que quenta ou arrefría o seu movemento, a xeometría deste sólido e outros moitos factores teñen importancia na velocidade de transmisión da calor.

Vexamos a seguinte analogía que nos axuda a aclarar conceptos paira os casos de condución e convección.

Mentres haxa una diferenza de altura entre os niveis de auga de ambos os recipientes, fluirá auga dunha a outra, coma se mantivésese a diferenza de temperatura, producísese una fuga de calor. Até cando? Até igualar alturas/temperaturas. De que depende que sexa máis rápido ou máis lento? Dependendo das características do conduto intermedio: sección estreita ou ancha, superficie rugosa ou totalmente lisa, etc. Ao tubo correspóndelle una resistencia hidráulica que depende destas características. Nós falamos de resistencia térmica, e o material ou contorna que dificulta moito o fluxo de calor, paira nós será de gran resistencia térmica. Ao falar de condución mencionamos dúas casas.

Nun caso os muros eran de madeira, no outro de metal. As primeiras teñen maior resistencia térmica, polo que conservarán mellor a calor interior.

Sen dúbida, na nosa sauna, e sendo o fluído o aire húmido, a convección é a principal das dúas formas anteriores. Lembrade, se non, o momento no que o home lanza un brochetón ás pedras. A auga, nada máis tocar as pedras que estaban por centos de graos, converteuse en vapor e dirixiuse ás correntes convectivas a unha velocidade forte.

Con todo, existe un terceiro modo: a radiación.

Preguntade a vós mesmos que, sendo case baleiro o espazo entre o sol e a terra, como chega a enerxía emitida polo sol ao chan? Se o sol quenta a terra (sendo imposible a condución e a convección; non hai masa), como se transporta até aquí esa enerxía? Esta é a última forma.

A superficie de calquera corpo emite enerxía adecuada á súa temperatura mediante ondas electromagnéticas capaces de atravesar o espazo baleiro. A cantidade de enerxía depende das características da superficie. Esta enerxía está dividida en diferentes lonxitudes de onda, cuxa maior parte se atopa nun intervalo de lonxitude de onda.

O ser humano, ao estar a 36ºC, emite enerxía, a maior parte en ondas infravermellas. Por iso, axudados por uns prismáticos especiais, calquera persoa ou animal atoparíase nunha contorna de menor temperatura. Non vistes a película “Depredador” de Arnold Schwartzenegger? Nela una besta envolvente doutro planeta vea no espectro infravermello. Consciente diso, o noso xigante Arnold fregou todo o corpo cun barro máis frío, o que lle permitiu escapar.

Exposto todo o anterior, estamos dotados das teorías necesarias paira facer algunhas reflexións e, simplemente, paira responder aos interrogados na sauna.

Como se quenta? A través destes pedregosos. Estes teñen un obxectivo importante: almacenar gran cantidade de calor e liberalo lentamente. Por que? Debido á súa alta resistencia térmica, a liberación de calor é progresiva. Doutra banda, para que a súa temperatura suba un grao hai que darlle moita calor. Por iso, conservan unha gran calor paira a súa temperatura.

En varios fogares, e aproveitando a peaxe eléctrica nocturno máis barato, os chamados acumuladores de calor quentan mediante resistencias eléctricas ladrillos refractarios (resistentes a altas temperaturas sen fisurar). As súas características son similares ás das pedras de Sauna, o que permite quentar a casa durante o día. É dicir, consumir de noite e quentar de día.

As principais vías paira quentar a sala son a convección e a radiación. A enerxía radiante non queda directamente no aire, xa que esta última pode considerarse transparente ás ondas electromagnéticas. Absórbeno as paredes. Por outra banda, o aire en contacto coas pedras está en continuo movemento nas correntes de convección, mantendo a temperatura da habitación bastante homoxénea. Con todo, como o aire máis quente é máis lixeiro, acumúlase na parte superior e por iso, estando sentado arriba, Javier sentiu máis calor.

Por que aumentou a sensación de calor cando botou auga ás pedras? A maior humidade relativa do aire, menor resistencia térmica entre corpo e aire. Por tanto, o fluxo de calor cara ao interior do corpo aumentará e nós, se queremos mantelo á mesma temperatura, teremos que liberar máis calor. O noso mecanismo é a suor.

Esta explicación responde a outras preguntas máis cotiás. Non ouvistes nunca que o frío de aquí, por exemplo 5 ºC de aquí, é máis frío que 5 ºC de Madrid? Ao ter máis humidade de aquí, a calor vainos máis fácil!

En equilibrio termodinámico, todos os obxectos interiores están á mesma temperatura. É dicir, a toalla e o anel están a 80ºC. Por que o anel queima e a toalla non? O anel está en contacto directo co dedo. A condución é a única forma de pasar calor entre ambos. A súa resistencia térmica é baixa e ao tocala éntrase moita calor. Aí está a sensación de calor. Con todo, a toalla é moi mala condutora, de gran resistencia, e a pesar da mesma diferenza de temperatura, ten grandes obstáculos para que a calor entre en nós. A toalla sente quente pero non fuma.

Por que os muros son de madeira e non de metal? A mesma resposta que a anterior. O noso Javier saíu a toda velocidade e non fixo ningunha reflexión sobre iso. Ao cabo duns días, co corpo máis preparado, volveu, e nese momento si, empezou a romper a cabeza. Na biblioteca do pobo abriu un libro cheo de pos titulado “Termodinámica” e comezou a aprender... Até agora.