Sauna; termodinàmica d'un petit infern
El dia de les noces no és per a bromes. Es menja, es beu i es balla des del migdia fins al tarda a la nit, sense que es pugui sadollar. Un cos sense costum no suporta amb facilitat aquest tipus de tabola. Veure a Xabier era suficient per a estar d'acord. El pobre teníem allí, tombat en el llit, sense aixecar-nos, per a afrontar el dolor de l'endemà tan bé com sigui possible. Deixant adormit al seu veí, es va aixecar amb crani, i abandonant a un costat aquestes meravelloses jaquetes i pantalons arrugues que havia tirat tota la nit en el sòl, es va posar el xandall damunt, es va formar una bossa esportiva i es va recordar del que el seu millor amic Joxe Mel va recomanar. “Has estat alguna vegada en la sauna? Hauria d'anar. Amb la sudoració es lleva la brutícia i és perfecta per a relaxar-se”, li va dir. “Vingui. Anem” va pensar Xabier, que era el moment adequat.
Es va despullar en els vestuaris del poliesportiu, es van col·locar els xinesos i amb la tovallola en el coll es va dirigir a la porta de fusta amb taquilla, amb el lema de “ara o mai!”. Deia “Bon dia!” al pobre gros que estava tombat sobre el budell, amb la sudoració de les arrugues de la pell del ventre en els pats. Hi havia tres nivells per a asseure's. Es va pujar a la part superior i es va col·locar la tovallola estirada en el seient. El seu primer pensament va ser “Vagi calor!”. I és que aquesta petita habitació, amb parets de fusta, sostre i sòl, estava en la caldera, i quan s'adonava que ella també estava xopada de suor. En acostar-se el cap cap al mesurador que hi havia sobre el mur, va llegir 80 °C. Com pot suportar l'home una calor tan intensa? “Descarrega't a la part inferior perquè aquí està massa calenta”, va dir l'home gros. Al costat del termòmetre es trobava un altre mesurador anomenat higròmetre que representava el 35%. Quin mesurament era aquella?
Amb aquestes idees, en baixar a la part inferior, es va adonar que el dit mandrós de la mà dreta s'estava cremant. L'anell d'or que acabava de posar la vespra estava a punt! Mentre s'estava retirant l'anell, l'home d'antany va preguntar a Xabier si li importava llançar una mica d'aigua a les pedres que estaven més a baix. Respondre que no, per a tirar el que vulguis. L'home va agafar aigua amb una torrassa de fusta i la va abocar a la pedra. L'aigua, a mesura que tocava les pedres, es va convertir en perfum i va arribar a la cara en unes ratxes calcinantes. Aquell infern era insostenible! Van ser deu minuts passats i en lloc d'ofegar-se va obrir la porta i es va anar, fugint de l'infern a la recerca del cel...
Fins ara, l'anècdota que ha passat a Xabier, pot succeir a qualsevol persona, i són, sens dubte, successos que tot aquell que té curiositat científica ha reflexionat diverses vegades en passar per la sauna. L'objectiu d'aquest treball és donar resposta científica als successos ocorreguts en el passat, i per a això hem de parlar de dos temes principals: la naturalesa de l'aire i la transmissió de la calor. Comencem amb el primer sense estendre'ns més en les entrades.
L'aire, a més de ser una mescla de diversos gasos, té la capacitat d'emmagatzemar l'aigua en estat de vapor. L'aire de la nostra atmosfera té aigua. Per això se'l denomina aire humit. En quina proporció aire i en quina proporció aigua? Bé, com a aclariment, en la pressió normal de l'atmosfera i a 25 °C cada quilogram d'aire sec té una capacitat d'emmagatzematge d'aproximadament 20 grams d'aigua. A un aire de menor quantitat, en aquestes condicions, se li pot afegir aigua i absorbir-la. No obstant això, si a l'aire que està emmagatzemant aquesta gran quantitat li donem una gota d'aigua diferent, l'aire no el recollirà i com a líquid quedarà en qualsevol superfície del seu entorn.
Aquesta quantitat d'aigua en l'aire, amb la pressió constant, depèn de la temperatura: a major temperatura, major quantitat possible. És evident la necessitat d'una mesura que relaciona la quantitat d'aigua que conté l'aire i la que pot contenir en igualtat de condicions. Existeix i és que ens ho dóna l'higròmetre que va veure Xabier. La lectura del 35% és la següent: A 80 °C, si un quilogram d'aire sec pot contenir 544 grams d'aigua, l'aire de la sauna per hora tenia el 35% d'aquesta quantitat, és a dir, 190 grams.
Hi ha una sèrie de fets que poden aparèixer en la naturalesa a través de l'anterior, com el cas de la rosada. Suposem que la humitat de l'aire a 25 °C durant el dia, mesura per un higròmetre, és del 50%. En conseqüència, en cada aire sec hi ha 10 grams d'aigua. A la nit la temperatura ha baixat molt fins als 0 °C i tot el que pot estar a aquesta nova temperatura és només 4 grams. Què els passa a altres 6 grams? Apareix com a líquid en l'herba, en els automòbils...
El segon tema a tractar era la transmissió de la calor. Anem. Explicarem primer què és la calor. Si es posen en contacte dos cossos a diferents temperatures, l'energia passarà del cos més alt a l'altre, fins a igualar les temperatures de tots dos. Aquesta última situació és equilibrada i calenta, és a dir, l'energia passada. No obstant això, aquesta transmissió de calor pot produir-se de tres formes. Els analitzarem un a un.
La primera és la conducció. Els cossos estan formats per fraccions menors. Aquests tenen moviment vibratori i com més ràpid és el moviment, com més alt és el que nosaltres coneixem com a temperatura. Quan ho posem en contacte amb el cos a menor temperatura, aquest moviment es transmet a les partícules de l'altre cos. Com a aclariment, quan estàs agarrant amb la mà l'extrem d'una masteler de ferro i calentas l'altre extrem en el foc, al poc temps seràs capaç de sentir aquesta calor a la mà.
Recordeu també el cas de l'anell de Javier. El seu dit no estava a una temperatura superior a 36 °C. No obstant això, l'anell semblava estar a major temperatura i per això va cremar el dit. La transmissió de calor entre sòlids es produeix així. No obstant això, en uns sòlids més ràpid que en uns altres. Imaginem dues cases aparentment iguals (murs d'igual gruix, iguals en grandària, igual diferència de temperatura entre l'exterior i l'interior...) però en un cas amb murs de fusta i en l'altre de metall. Quin es refreda més ràpid? L'experiència ens demostra que el metall es refreda més ràpid, ja que els metalls són bons conductors de la calor.
No obstant això, i com s'ha dit al principi, no és l'única manera de fer-lo. En ple hivern, quan encenem les calefaccions a les cases, aquestes escalfen l'aire que tenen al seu costat per conducció. La densitat d'aquest aire disminueix i, segons va explicar antigament Arquimedes, ascendeix. En el seu moviment ha augmentat la calor inferior. En la conducció no hi havia moviment mitjà de la massa. Aquí sí. Aquesta segona forma es diu convecció i la podem veure en la llet que escalfem cada matí. Aquest tipus de transmissió sempre apareix si hi ha gas o líquid implicat en el mitjà de transmissió. La naturalesa del fluid, al voltant del sòlid que escalfa o refreda el seu moviment, la geometria d'aquest sòlid i molts altres factors tenen importància en la velocitat de transmissió de la calor.
Vegem la següent analogia que ens ajuda a aclarir conceptes per als casos de conducció i convecció.
Mentre hi hagi una diferència d'altura entre els nivells d'aigua de tots dos recipients, fluirà aigua de l'una a l'altra, com si es mantingués la diferència de temperatura, es produís una fugida de calor. Fins quan? Fins a igualar altures/temperatures. De què depèn que sigui més ràpid o més lent? Depenent de les característiques del conducte intermedi: secció estreta o ampla, superfície rugosa o totalment llisa, etc. Al tub li correspon una resistència hidràulica que depèn d'aquestes característiques. Nosaltres parlem de resistència tèrmica, i el material o entorn que dificulta molt el flux de calor, per a nosaltres serà de gran resistència tèrmica. En parlar de conducció hem esmentat dues cases.
En un cas els murs eren de fusta, en l'altre de metall. Les primeres tenen major resistència tèrmica, per la qual cosa conservaran millor la calor interior.
Sens dubte, en la nostra sauna, i sent el fluid l'aire humit, la convecció és la principal de les dues formes anteriors. Recordeu, si no, el moment en el qual l'home llança un brochetón a les pedres. L'aigua, neda més tocar les pedres que estaven a centenars de graus, es va convertir en vapor i es va dirigir als corrents convectivas a una velocitat forta.
No obstant això, existeix una tercera manera: la radiació.
Pregunteu a vosaltres mateixos que, sent gairebé buit l'espai entre el sol i la terra, com arriba l'energia emesa pel sol al sòl? Si el sol escalfa la terra (sent impossible la conducció i la convecció; no hi ha massa), com es transporta fins aquí aquesta energia? Aquesta és l'última forma.
La superfície de qualsevol cos emet energia adequada a la seva temperatura mitjançant ones electromagnètiques capaces de travessar l'espai buit. La quantitat d'energia depèn de les característiques de la superfície. Aquesta energia està dividida en diferents longituds d'ona, la major part de la qual es troba en un interval de longitud d'ona.
L'ésser humà, en estar a 36 °C, emet energia, la major part en ones infraroges. Per això, ajudats per uns prismàtics especials, qualsevol persona o animal es trobaria en un entorn de menor temperatura. No heu vist la pel·lícula “Depredador” d'Arnold Schwartzenegger? En ella una bèstia envolupant d'un altre planeta la veu en l'espectre infraroig. Conscient d'això, el nostre gegant Arnold ha fregat tot el cos amb un fang més fred, la qual cosa li ha permès escapar.
Exposat tot l'anterior, estem dotats de les teories necessàries per a fer algunes reflexions i, simplement, per a respondre als interrogats en la sauna.
Com s'escalfa? A través d'aquests pedregosos. Aquests tenen un objectiu important: emmagatzemar gran quantitat de calor i alliberar-ho lentament. Per què? A causa de la seva alta resistència tèrmica, l'alliberament de calor és progressiva. D'altra banda, perquè la seva temperatura pugi un grau cal donar-li molta calor. Per això, conserven una gran calor per a la seva temperatura.
En diverses llars, i aprofitant el peatge elèctric nocturn més barat, els anomenats acumuladors de calor escalfen mitjançant resistències elèctriques maons refractaris (resistents a altes temperatures sense fisurar). Les seves característiques són similars a les de les pedres de Sauna, la qual cosa permet escalfar la casa durant el dia. És a dir, consumir de nit i escalfar de dia.
Les principals vies per a escalfar la sala són la convecció i la radiació. L'energia radiant no queda directament en l'aire, ja que aquesta última pot considerar-se transparent a les ones electromagnètiques. Ho absorbeixen les parets. D'altra banda, l'aire en contacte amb les pedres està en continu moviment en els corrents de convecció, mantenint la temperatura de l'habitació bastant homogènia. No obstant això, com l'aire més calent és més lleuger, s'acumula en la part superior i per això, estant assegut a dalt, Javier va sentir més calor.
Per què va augmentar la sensació de calor quan va tirar aigua a les pedres? A major humitat relativa de l'aire, menor resistència tèrmica entre cos i aire. Per tant, el flux de calor cap a l'interior del cos augmentarà i nosaltres, si volem mantenir-lo a la mateixa temperatura, haurem d'alliberar més calor. El nostre mecanisme és la suor.
Aquesta explicació respon a altres preguntes més quotidianes. No heu sentit mai que el fred d'aquí, per exemple 5 °C d'aquí, és més fred que 5 °C de Madrid? En tenir més humitat d'aquí, la calor ens va més fàcil!
En equilibri termodinàmic, tots els objectes interiors estan a la mateixa temperatura. És a dir, la tovallola i l'anell estan a 80 °C. Per què l'anell crema i la tovallola no? L'anell està en contacte directe amb el dit. La conducció és l'única manera de passar calor entre tots dos. La seva resistència tèrmica és baixa i en tocar-la s'entra molta calor. Aquí està la sensació de calor. No obstant això, la tovallola és molt mala conductora, de gran resistència, i malgrat la mateixa diferència de temperatura, té grans obstacles perquè la calor entri en nosaltres. La tovallola se sent calenta però no fuma.
Per què els murs són de fusta i no de metall? La mateixa resposta que l'anterior. El nostre Javier va sortir a tota velocitat i no va fer cap reflexió sobre això. Al cap d'uns dies, amb el cos més preparat, va tornar, i en aquest moment sí, va començar a trencar el cap. A la biblioteca del poble va obrir un llibre ple de pólvores titulat “Termodinàmica” i va començar a aprendre... Fins ara.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
