Els viatges de la calor: exemples quotidians per fer bullir l’olla

D'allò calent a allò fred. La calor és genuïnament viatgera. La seva causa d’amor, i de mort, és l’equilibri tèrmic, aquella harmonia en què tots els cossos que en participen descansen a la mateixa temperatura. D’amor, perquè la calor és energia tèrmica en trànsit i neix del contrast tèrmic. Neix de tot allò que s’allunya de l’equilibri tèrmic i, amb els seus viatges, lluita per la restitució d’aquest equilibri. De mort, perquè mor quan aconsegueix l’equilibri que anhela.

Com és, però, aquest trànsit d’energia? A la natura existeixen tres maneres de transferir calor que, si els tenim en compte en el dia a dia, ens faran la vida més còmoda i eficient. Donem-hi un cop d’ull tot amanint-ho amb alguns exemples.

Imatge 1. Auxili! S’està cremant el graner! De l’escena dibuixada, imaginem-nos que l’aigua és anàloga a la calor i les persones, el seu mitjà de transferència. En el cas 1, l’aigua surt del pou i arriba al graner sense ser conduïda directament per les persones. Seria el cas anàleg al fenomen de la radiació tèrmica a través del buit o en fluids. En el cas 2, l’aigua viatja a través de la cadena humana. Seria el cas anàleg a la conducció tèrmica. En el cas 3, les persones carreguen l’aigua fins al graner. Seria el cas anàleg a la convecció tèrmica. Les meves disculpes pel biaix de gènere en els representats.[1]

Radiació. Tots els cossos, pel fet d’estar a certa temperatura, emeten radiació en forma d’ones electromagnètiques. La matèria està composta de partícules en moviment que transformen aquesta energia en radiació, en ones electromagnètiques que es propaguen pel buit o per fluids. És amb aquestes ones que ens arriba la calor i la llum del sol, detectem persones (vives) amb càmeres tèrmiques de visió nocturna i torrem el pa amb una torradora.

Conducció. És el viatge de la calor a través del contacte directe entre les partícules que componen la matèria i la seva interacció. És el fenomen típic de transferència de calor en els sòlids, les propietats dels quals els convertiran en aïllants o conductors.

Convecció. Es produeix quan és la mateixa matèria la que transporta la calor. Ho fa en forma de corrents que es troben a diferents temperatures i, per tant, a diferents densitats. És un mode típic de transferència de calor en líquids i gasos, que, a diferència dels sòlids, permeten aquest moviment lliure de les partícules. El fenomen de la brisa marina (imatge 2) i l’ebullició de l’aigua i el moviment de les bombolles en una cassola bullint són fenòmens típics de convecció.

Imatge 2. El fenomen de la brisa marina és un clar exemple de convecció de l’aire en la meteorologia. Durant el dia, la radiació solar escalfa més ràpidament la terra que la superfície del mar. Això provoca que l’aire calent de la terra, menys dens, s’elevi i deixi un espai a pressió més baixa que serà ocupat per l’aire del mar, amb la seva frescor característica. Com més gran sigui aquesta diferència de temperatures, més gran serà la força del vent o, per ser específics, la marinada. A la nit aquest cicle tendeix a invertir-se donant lloc a la brisa terrestre, en refredar-se la terra més ràpidament que la superfície marítima.[2]

Un confort tèrmic eficient

Imatge 3. Els corrents de convecció que es generen en una habitació amb llar de foc.[3]

Entendre com es "termalitza" la nostra llar i el rol dels elements que en prenen part és primordial per fer-la més eficient. Els radiadors, els aires condicionats i les bombes de calor indueixen la convecció d’aire a les habitacions. És important col·locar-los estratègicament per tal que els corrents induïts no siguin obstruïts i la convecció abraci el màxim de superfície possible.

Les parets al voltant d’una llar de foc, d’una xemeneia, d’un radiador o de les canonades d’aigua calenta s’escalfaran lentament per conducció tèrmica i, com que estan construïdes amb materials aïllants, retindran la temperatura durant més estona. Ho podem aprofitar col·locant aquests elements en parets interiors i centrals, tot evitant el contacte amb parets exteriors, que expulsarien aquesta calor fora de la casa.

Les persianes ens protegeixen bé de la radiació solar que penetra per les finestres intensament en dies d’estiu i, també, ajuden a retenir la calor que perdrien les habitacions per radiació a les nits fredes d’hivern.

D’altra banda, si ets a l’aire lliure i et vols escalfar, els aparells que indueixen convecció de l’aire són una mala pensada. L’aire escalfat no queda retingut i suposen una pèrdua energètica molt important. Per a aquest cas, els radiadors d’infrarojos són una bona solució, ja que permeten dirigir la radiació que emeten allà on més ens convingui (vegeu la imatge 4).

Imatge 4. Gràfic sobre la intensitat de la radiació emesa en funció de la longitud d’ona, obeint la llei de Planck. Cada pic es correspon amb un cos a temperatura diferent. En augmentar la temperatura, veiem que els pics es desplacen cap a les ones més curtes (desplaçament de Wien) i el total de radiació emesa augmenta considerablement (llei de Stefan-Boltzmann). Els calefactors d’infrarojos que s’escalfen més assoleixen temperatures d’entre 2.000 i 3.000 K. Com es veu al gràfic, aquests són els que emetran radiació a més intensitat. Així mateix, com que abracen longituds d’ona més curtes i part de l’espectre de llum visible, també emeten llum d’un vermell ataronjat. Altres tipus de calefactors d’infrarojos operen a temperatures més fredes, entre els 300 i els 1.000 °C, i emeten en longituds d’ona més llargues. Aquests són d’un vermell granat, o directament ja no emeten llum visible. Per un costat, poden estalviar la despesa energètica de generar llum visible; per l’altre, emeten a unes longituds d’ona que són millor absorbides pel cos humà. Imatge adaptada de [4].

Com fer bullir l’olla

Imatge 5. Els cicles de convecció en una olla sense tapar (esquerra) i en una olla amb tapa (dreta). Observem aquests cicles en els dos fluids rellevants del fenomen: a l’aigua que hi bull i a l’aire que hi està en contacte. Les fletxes indiquen el moviment de les masses d’aigua o d'aire calentes (vermell), menys denses i amb tendència a elevar-se; o fredes (blau), més denses i amb tendència a precipitar-se.

Vista aquesta representació gràfica, queda clar que si no tapem l’olla, perdrem un flux molt important de calor a causa de la convecció de l’aire. Per tant, ja sabem què hem de fer per acabar de cuinar abans i estalviar energia!

La conducció tèrmica i la subjecció d’una copa

Imatge 6. A l'esquerra: la manera errònia i la correcta de subjectar una ampolla per tal de no escalfar-la amb les mans. Al mig: un servidor degustant una copa de vi català tot subjectant la copa per la seva tija, una manera eficient per perllongar la seva temperatura ideal de consum. A la dreta: la subjecció d’una copa de conyac pel seu cos [5]. Cal escalfar el destil·lat amb les mans uns minuts abans de beure’l per intensificar-ne les aromes.

Tenir una conversa amb algú mentre sostenim una ampolla de cervesa en un dia càlid d’estiu pot ser més plaent si aconseguim mantenir-la més temps freda. Ho aconseguirem si sostenim l’ampolla pel seu coll i no pel seu cos. El vidre és mal conductor de la calor i ajudarà que l’escalfor proporcionada per les nostres mans quedi localitzada als punts de subjecció.

El mateix principi s’aplica per a un got de tub amb una beguda amb glaçons: l’hauríem de sostenir per la part superior i no per la base, que està en contacte amb la beguda.

Si el que sostenim és una copa de vi, procurarem fer-ho sempre per la tija per tal de no escalfar-lo amb les mans. Hi ha, però, excepcions. En el cas del conyac o el brandi es permet la subjecció pel cos, ja que es busca aquest augment de temperatura per intensificar-ne els sabors.

En definitiva, fer servir proactivament els elements del disseny de les ampolles, gots i tasses sempre serà una bona idea.

Referències

[1] Lienhard, I. V., and H. John. A heat transfer textbook. Phlogiston press, 2005.

[2] Diagrama de formacion de la brisa-breeze.png. (2020, September 27). Wikimedia Commons, the free media repository. Consultat el 21 de gener de 2023.

[3] https://www.greydock.com/blog/article/what-look-when-buying-space-heater

[4] https://chem.libretexts.org: 1.1: Blackbody Radiation Cannot Be Explained Classically

[5] https://www.wikihow.com/Drink-Cognac