¿Una vivienda mal aislada pierde el mismo calor que una bien aislada?

"calor de hogar" por Walala Pancho bajo una licencia Creative Commons

La respuesta va a ser sí (siempre que no se desconecte la estufa)... pero vayamos por partes.

Antes de nada decir que un estado estacionario es cuando los parámetros permanecen constantes, es decir, no varia la temperatura, ni la presión, ni el volumen... Todos los sistemas, pasado un cierto tiempo se vuelven estacionarios a no ser que algo varíe las condiciones a las que esta sometido.

El tema clave de este asunto es que cada vatio generado en estado estacionario es un vatio perdido.

Pasando a un caso práctico, el recinto puede ser una vivienda. Las condiciones iniciales son una estufa de 1000W conectada a máxima potencia, no hay corrientes de aire externas y las paredes, puertas y ventanas, naturalmente tienen una composición y grosor invariable. Al principio la casa se encuentra a 10ºC pero al encender la estufa variamos las condiciones del sistema, así que la temperatura empieza a cambiar.

A esto se le llama estado transitorio. Sin embargo, llegará un punto en el que la temperatura ya no variará más. A partir de ese punto las paredes y puertas perderán 1000W inevitablemente.

Esto puede sorprender al principio, no puede ser que una casa mejor aislada pierda lo mismo que una con un pésimo aislamiento. Pero así es. Veamos por qué.

Al principio el exterior, las paredes y la casa está todo a la misma temperatura, al encender la estufa estamos inyectando energía en el sistema que elevara su temperatura.

Llegados a este punto es importante saber que cuanto más grande es la diferencia de temperaturas más rápido se pierde el calor. Por ejemplo: si yo tengo un vaso de agua a 80ºC en una habitación a 20ºC, tardara menos en bajar 10ºC (es decir llegar a los 70ºC) que si lo tuviese a 40º y quisiera llegar a 30º.

Volviendo a la casa, teníamos que se había calentado un poco, pero como la diferencia de temperatura no es muy grande se pierden pocos vatios tal vez alrededor de 10W. Pero la estufa no deja de trabajar, y la temperatura sigue subiendo... y consecuentemente cada vez perdemos más calor (la calle sigue a 10ºC). Al final la temperatura es suficiente como para que las paredes pierdan calor tan rápido como la estufa genera. Habremos llegado al estado estacionario.

Si lo pensamos bien resulta lógico... al fin y al cabo no paramos de meterle energía al sistema y ningún sistema puede almacenar infinita energía. Tiene que sacarla por alguna parte ^^

¿Significa esto que no hace falta aislar las casas?. La respuesta es la que dicta la intuición: sí hay que aislarlas lo mejor posible porque cuanto mejor es el aislamiento más grande tiene que ser la temperatura en el interior de la casa para poder perder tanto calor como el que se genera. Así que al final con una misma estufa estaríamos más calentitos (o bien nos bastaría con una estufa menos potente).

Pero siempre siempre siempre se acaba perdiendo lo mismo que se genera.

Agua caliente y viejos calentadores

Foto de kk+bajo una licencia Creative Commons

Imagina que te estás duchando, y que el agua de la ducha la calienta un viejo calentador de gas. Encuentras que el agua está muy fría así que decides cerrar del todo el agua fría de manera que sólo salga agua caliente. De esta manera consigues subir la temperatura unos grados, pero aún está poco caliente. Así que le das al máximo de agua caliente y empieza a salir más agua... ¡pero está más fría!

¿Que ha pasado aquí? El termo siempre desprende la misma cantidad de calor, parte se pierde y parte la transfiere al fluido (el agua). Más o menos la cantidad transferida es siempre la misma. Ahora supongamos que ponemos el agua a tope. Lo que estamos haciendo es aumentar el caudal a por ejemplo 2 l/m (2 litros por minuto)así que en un minuto pasaran por las tuberías del quemador 2 litros. Pero el quemador siempre intercambia la misma cantidad de calor así que debe repartirlo entre dos litros de agua según esta fórmula:

Q=m·c·ΔT

donde m es la masa en gramos, c el calor especifico del agua (que en nuestro caso se puede considerar constante e igual a 1, y ΔT la diferencia de temperatura.

Si el agua nos entra a 10ºC, pasan dos litros por minuto (que pesan 2 kg, es decir 2.000g) y el calor que transfiere el termo en un minuto son 18.000 calorías (75.240 J) aislando ΔT, nos queda:

ΔT=Q/(m·c)

substituyendo:

ΔT=18.000/(2.000·1)=9ºC

es decir el agua habrá aumentado 9ºC su temperatura ahora estará a 19ºC, aun es demasiado fría pero si en vez de pasar 2 litros por minuto pasa sólo uno. Entonces:

ΔT=18.000/(1.000·1)=18ºC

y el agua estaría a 28ºC, una temperatura más adecuada para una ducha caliente

Somos bombillas con piernas

Esta foto hecha por Diodoro se titula "Is there a fairy inside every bulb, or is just my imagination?" se encuentra bajo una licenciaCreative Commons

El domingo vinieron unos amigos a casa (saludos a Ana, Mérida y MiDas) y cuando hacia un rato que jugábamos a las cartas empezamos a tener calor (diréis "normal es que estamos en Julio" bueno, pues más calor del que tocaría). ¿De donde venía? Pues unos 80W de las bombillas incandescentes que había encendidas y unos 550W ¡de nosotros mismos!

Según los estudios una mujer adulta gasta unas 2000 kcal al día. Haciendo un cálculo rápido:



De media cada mujer adulta desprende unos 100W de potencia, más que las bombillas que tenía en casa. Y aplicando una regla de tres, si los hombres gastan 3000kcal en un día desprendemos una potencia de unos 150W. Así que tres hombres y una mujer 550W. En mi casa tengo una estufa para invierno de 1.500 W que normalmente pongo a media potencia (750W). Si hubiese estado mi novia y Yago (el cual al final se rajó) hubiésemos llegado a los 800W ¡¡en pleno verano!!

Si además tenemos en cuenta que el piso es pequeño, y por lo tanto tiene poca inercia térmica...

Comentarios

¿De dónde viene la expresión "el frío metal"?

Foto por Max xx bajo una licencia Creative Commons

Antes de nada, decir que siento haber estado tantos días sin introducir entradas, he estado bastante ocupado, y aún lo seguiré estando por unos cuantos días más (no muchos). Aun así intentaré que podáis leer el jueves una nueva entrada ^^

Bueno al tema, los metales son muy buenos conductores (como los de los seguros Génesis, saludos a tofito. Nota: este chiste ya fue utilizado en la entrada interruptor magnetotérmico, me impondré una autosanción por abuso de chistes malos), tanto para la electricidad como para el calor (precisamente esto no es una casualidad si no que es por su estructura atómica, pero esto ya es otra historia).

Os acordáis de lo que hablamos en la entrada "Por que la humedad fastidia" el cuerpo no nota a que temperatura están las cosas, sino que nota cuan rápido disipa calor.

Si estamos en un ambiente a 25 grados no muy húmedo y sin viento, el cuerpo estará en situación de confort, porque perderá calor a un ritmo determinado a través del aire. Pero el metal es mejor conductor así que absorberá el calor de nuestro cuerpo más rápidamente aunque esté a la misma temperatura que el aire y nos parecerá que está más frío aun estando a la misma temperatura que el aire.

De ahí la expresión inicial de "el frío metal". Luego, naturalmente años de uso de una expresión acaban dándole un significado diferente en algunos casos. A veces se usa la expresión el frío metal como para decir exento de sentimientos, pero eso también es otra historia.

¿Por qué la humedad fastidia?

¿Habéis oído alguna vez esta afirmación? "El termómetro sólo marca 30ºC, sin embargo debido a la humedad, la sensación térmica es de 38ºC". La información del tiempo suele decirla bastante. Pero tal vez hayáis oído también a gente quejándose porque un día donde el termómetro marca 5ºC, el frío les "cala" más porque hay humedad.

Aquí uno se podría parar a pensar que pasa con la humedad. ¿Aumenta o disminuye la sensación térmica?. Lo dicho en el párrafo anterior parece indicar que ni una ni la otra, que simplemente lo que quiere es fastidiar. Pero, ¿cómo lo consigue? ¿cómo podemos protegernos de sus efectos?

Bien, empecemos por saber como funciona el cuerpo y la sensación de frío y calor. El cuerpo, siempre tiene que estar perdiendo calor, porque si no fuese así (si ganase calor) iría aumentando cada vez más su temperatura, hasta morir. Así que si perdemos calor significa que todo va bien, con lo que el cerebro interpreta esto como confort. Pero si perdemos menos calor del que deberíamos lo interpreta como calor y activa ciertos mecanismos para aumentar las pérdidas, hasta llegar a perder suficiente calor. Por otra parte si empieza a perder demasiado calor, su metabolismo no da abasto y el cuerpo empieza a disminuir su temperatura, hasta morir, antes de llegar a ese trágico final el cerebro nos envía una sensación que nos incita a abrigarnos más, y es lo que interpretamos como frio.

En invierno el cuerpo pierde más calor del que desearía, por eso el cerebro envía la sensación de frio y activa los mecanismos pertinentes (nos encogemos, llega menos sangre a la periferia, etc) todo para disminuir la transferencia de calor. Aquí es donde entra la humedad, el agua es mejor conductora del calor que el aire (por eso el agua a temperatura ambiente de la ducha se llama agua "fría", ¿como que fría si esta a la misma temperatura que el aire? si, pero aumenta la transferencia de calor con lo que el cuerpo pierde calor más rápido y lo interpreta como frío aunque este a la misma temperatura). Como deciamos el agua es mejor conductora que el aire con lo que cuando el aire es húmedo aumentan las pérdidas de nuestro cuerpo y tenemos aun más frío.

Bien, ¿y en verano que? ¿acaso el aire húmedo en verano no es también mejor conductor con lo que aumentarían nuestras pérdidas? La respuesta es que si. El aire húmedo aumenta nuestras pérdidas, pero no lo suficiente como para llegar a la perdida de confort. Así que una vez más nuestro cuerpo activa los mecanismos adecuados, más sangre en la periferia, baja la actividad y sudor. Así que empezamos a sudar... pero sorpresa, el aire está muy húmedo, casi esta saturado de humedad (cuando esta saturado quiere decir que no caben más moléculas de agua entre las moléculas de aire) así que al sudor le "cuesta" evaporarse. Aquí es donde la humedad gana la batalla, por una parte ayuda a aumentar las perdidas (cosa que en verano nos favorece) pero se carga de golpe uno de los mecanismos más potentes que tenemos para perder calor. Así que en total dificulta la perdida de calor y aumenta nuestra sensación térmica.

Evidentemente esto que en invierno nos favorecería, no pasa, porque en invierno no se suda ^·^

¿Como superar esto? En verano nos interesaría evaporar más sudor así que secamos el aire de las inmediaciones de nuestra piel. O lo que es lo mismo, encendemos el ventilador o nos abanicamos (cosa que además disminuye nuestra capa límite, pero de esto hablaré otro día), cualquiera que haya tendido la ropa unas cuantas veces sabe que los días de viento se seca más rápido :D

Y ¿en invierno? este es más difícil de evitar, pero por otra parte los efectos de la humedad en invierno son menores que en verano. En invierno nos afecta mucho más el viento (que por supuesto es peor si es viento húmedo) y que podemos parar cubriéndonos con una capa de tejido apretado (o impermeable)

Un aislante que no aisla

Cuando estaba estudiando transferencia de calor en la carrera, me encontré con esta antiintuitiva y curiosa conclusión.

Imaginemos una fina tubería por la que pasa un líquido caliente. Por ejemplo agua a 60º por un tubo de 2 mm de diámetro, y naturalmente queremos perder cuanto menos calor, mejor.

Un ingeniero, no pondría aislante en contra de lo que pudiese parecer, sino que lo dejará tal cual está. Aunque parezca extraño, esta es la mejor opción.

Creo que por cada fórmula que meto las lecturas decrecen, así que intentaré explicarlo con palabras. Si alguien quiere más detalles, que me los pregunte y estaré encantado de dárselos ^^

Bien, qué está sucediendo. Un aislante aísla más cuanto más gordo sea este. Por ejemplo si ponemos una capa de 10 mm, aislará más que una de 5 mm (por eso las mantas abrigan más que las sábanas, porque son mas gordas). Por otra parte cuanta mayor sea la superficie de contacto mayores serán las pérdidas. Por ejemplo un tubo de 4 mm de diámetro pierde más calor que uno de 2 mm de diámetro, ya que su superficie es mayor.

Bueno, hasta aquí no hay nada nuevo. Todo esto lo sabemos de toda la vida.

Ahora imaginemos un tubo de 20 mm de diámetro al que le metemos 2mm de aislante la superficie del tubo ha crecido sólo un 10% (la superficie sería un 110% de la superficie original) pero la capa de aislante ha pasado de 0 a 2 mm con lo que nuestra capacidad de aislamiento ha crecido bastante, así que compensamos el aumento de superficie y salimos ganando. Que es lo lógico.

Que pasaría si a un tubo de 2 mm de diámetro le metemos 2 mm de aislante, pues que la superficie crecería un 100% (la superficie sería un 200% de la superficie original) y él aislamiento que ganaríamos sería igual que en el caso anterior (ya que el aislante es igual de gordo) así que salimos perdiendo.

El aislante es un arma de doble filo, por una parte aísla, pero por otra aumenta la superficie de contacto, aquello que decide que parte gana es el grosor del tubo (además del coeficiente de aislamiento y de convección). Aunque esto es un ejemplo bastante simplificado, la realidad es un poco más complicada, la "moraleja" (por llamarlo de alguna manera) queda intacta. Un tubo fino muchas veces es mejor dejarlo como está que ponerle aislante