Per què fan fum els cotxes?

Farà un parell d’hiverns portava a la meva filla de llavors 4 anys l’escola. Ella, que està molta més en aquest món que un servidor, observava tot el que havia al seu voltant. I quan menys ho esperava va formular una demolidora pregunta:

– Pare, per què els cotxes tiren fum?

En aquell moment van passar pel meu cap moltes coses, inclosos els principis de la termodinàmica; però el primer pensament va ser per a un home anomenat Nicolas Léonard Sadi Carnot i és el personatge central de la nostra història d’avui.

[@more@]

La Història és sempre agraïda amb els inventors però no sempre ho és amb el responsable d’una revolució científica. A tot el món li sona James Watt, l’inventor de la màquina de vapor. Però, Carnot? Si has estudiat el cicle de Carnot, evidentment, sí; però en cas contrari, és tan conegut com el Watt?

Doncs bé, de la màquina de vapor, que en principi només s’utilitzava per a achicar aigua, Carnot va fundar una ciència: la Termodinàmica.

Primer, deixeu-me donar uns detalls del funcionament de les màquines tèrmiques. Per exemple, una central de producció d’energia no és res més que un focus calent i un focus fred. En el focus calent podem escalfar aigua fins a evaporar-la. El vapor calent voldrà expandir-se i anar al focus fred així que fem una canonada entre els esmentats focus pel qual circularà el vapor a pressió. Dins d’aquesta canonada posem un eix amb unes pales (àleps) amb unes corves especialment dissenyades perquè aquest moviment del vapor faci que giri. Hem obtingut treball mecànic d’una diferència de temperatures. Ara li posem uns quants cables i imants i a cobrar rebuts per l’electricitat generada. És bàsicament això apart de quatre problemes d’enginyeria.

Quatre problemes … eh!, oh! … molts més de quatre! Sempre recordaré un comentari de cert professor d’electrotècnia del qual dèiem que vivia en una torre d’alta tensió. Un dia vaig ser a fer-li una pregunta, un dubte que tenia. Em va dir que un generador és una màquina síncrona. L’eix d’una central productora d’electricitat ha de girar a 3000 rpm "per nassos". I és realment complicat. Si hi ha més consums, es veurà frenat i voldrà girar més a poc a poc i si, per contra, hi ha menys consum accelerarà fàcilment. En realitat, l’eix del generador és una cosa realment petita i tota la resta de la central només està perquè giri a aquestes 3000 rpm. En fi, és una part d’aquestes quatre complicacions enginyerils.

Els problemes energètics que tant surten per TV vénen derivats de com obtenir aquest focus fred i calent. El fred és relativament senzill: el mar, un riu, aquelles torres de refrigeració tan característiques de les centrals nuclears (el fum que de vegades veiem no és res més que vapor d’aigua), etc.; i el calent cremant petroli, carbó, porqueria o combustible nuclear. Aquestes últimes, les nuclears, són una mica més complexes. Tenen tres circuits: primari, secundari i terciari. En el primari, el focus calent és el material radioactiu i el focus fred és el calent del secundari. El secundari, en el que està la turbina generadora, té com focus fred el calent del terciari. El fred del terciari és el riu, el mar o la torre de refrigeració.

Però m’estic sortint del tema. El que vull que tingueu clar és que és absolutament necessària una diferència de temperatures per poder obtenir un treball mecànic. Si els dos extrems del tub pel qual fèiem passar el vapor estiguessin a la mateixa temperatura, s’acabar el moviment. A grans trets, com més gran sigui la diferència de temperatures, més gran serà la violència amb la qual corre el vapor i més gran podrà ser la potència de gir d’aquest eix generador.

I ara tornem a Carnot. Era un apassionat de la màquina de Watt i es va fer curioses preguntes: és la millor màquina que pot construir-se? és la forma més eficient de transformar calor en treball? és possible millorar la màquina de vapor il·limitadament? quin és el major rendiment que pot obtenir-se d ‘un motor tèrmic? depèn de la substància amb la qual el motor funciona?

Unes preguntes interessantíssimes. No es referia a millores tècniques. Estava pensant de manera abstracta, en màquines ideals. Intentava saber de manera mental què havia de fer aquesta màquina i per a això va idear un cicle termodinàmic (al qual diem avui cicle de Carnot) en el que hi ha dos processos isotèrmics (a temperatura constant) i dos processos adiabàtics (sense cessió ni guany de calor).

Segons aquest cicle, una màquina que operés entre 160ºC i 40ºC produiria uns 27.000 milions de joules per tona de carbó cremada. Aquest és el treball necessari per aixecar 27.000 milions de quilos un metre d’altura. Això, evidentment, no és així en el món real.

Carnot va mesurar el rendiment de les millors màquines angleses de l’època i va veure que només produïen un 5% d’aquesta quantitat. El problema és el següent: es dóna calor i es torna treball però es necessita massa calor per obtenir massa poc treball. Per què s’estava tan lluny de l’ideal teòric? Era possible fer una màquina perfecta?

Imaginem que fora possible fer l’esmentada màquina perfecta i disposéssim d’un focus fred i un altre calent i obtinguéssim tot el possible treball mecànic en un eix que gira. Com que som tan bons, ara podríem invertir el procés, és a dir, transformar aquest treball mecànic (fent girar l’eix una altra vegada gràcies al treball emmagatzemat anterior) per deixar-ho tot com estava (hem tret calor del focus fred i ho hem cedit al calent). Tenim una màquina funcionant en un sentit i després en un altre sense parar i al final les coses estan com havíem començat. Hem aconseguit un eix girant a canvi de res. A això se li diu mòbil perpetu de segona espècie. El segon principi de la termodinàmica el prohibeix expressament.

Quan va aplicar el seu cicle a un gas ideal (bàsicament les partícules que ho componen són perfectes i meravelloses), va fer equacions i va obtenir unes conclusions impressionants:

1.- El rendiment d’un cicle de Carnot depèn exclusivament de les temperatures del focus fred i calent.
2.- El rendiment d’un cicle qualsevol és inferior al d’una màquina ideal de Carnot.

L’afirmació "és impossible convertir calor en energia mecànica sense tenir més calor caient des d’un lloc calent a un lloc fred" es coneix com segona llei de la termodinàmica. Això és equivalent a dir que la calor no va pel seu compte d’un focus fred a un focus calent. Això, que sembla una bajanada, és la raó per la qual necessitem endollar un frigorífic.

Però va aprofundir molt més amb les conseqüències de la seva anàlisis:

"Així doncs, es pot enunciar la tesi general: la força motriu existeix en la naturalesa en una quantitat invariable; ella, pròpiament dita, mai es crea i mai s’aniquila; en realitat, canvia la seva forma, és a dir, provoca bé una forma de moviment, bé una altra, però mai desapareix"

Us sona? Si canvieu "força motriu" per "energia" teniu el principi de conservació de l’energia que, en el fons, no és res més que la primera llei de la termodinàmica.

I tot això abans de 1824 i amb menys de 28 anys d’edat. Faltaven gairebé 20 anys perquè es comencés a parlar del concepte "conservació de l’energia". Quan va voler publicar les seves idees "Reflexions sobre la força motriu del foc i sobre les màquines adequades per desenvolupar aquesta força" en Annals de Poggendorff (més tard Annals de la física) el seu editor i propietari, John Christian Poggendorff, s’ho va rebutjar. Va haver de publicar-lo en forma de llibre pagant l’edició de la seva pròpia butxaca.

Aquest llibre està ple d’idees capitals per entendre el funcionament de les màquines tèrmiques. Ni els enginyers ni els científics van fer el menor cas i el van catalogar com un text de segona. Avui és de bàsic coneixement tant per a enginyers com per a científics.

Aquest home, tot solet, havia deduït els dos primers principis de la termodinàmica. I fixeu-vos que aquest és un d’aquells casos a la història que brillen amb llum pròpia: no existien treballs anteriors ni es va recolzar en cap cosa coneguda sinó que va crear dels res un nou camp d’investigació. Faltaven 25 anys perquè un altre científic arribés a les seves mateixes conclusions.

Va morir al 1832 de còlera. Només tenia 36 anys. Les seves notes van ser publicades 46 anys després de la seva mort pel seu germà.

Els seus treballs van caure en l’oblit fins que rescatats per l’enginyer ferroviari francès Émile Clapeyron però va ser Rudolf Julius Emmanuel Clausius qui va descobrir una mica per atzar els treballs de Carnot i va introduir en 1865 el concepte d’entropia que deixarem per a una altra història.

Com explicar tot això a la meva filla de 4 anys? Aquell matí en que la portava a l’escola hi havia molta humitat, així que vaig fer un poc de baf i li vaig dir:

– Veus? jo també faig fum. Qualsevol cosa que es mou fa fum.

I va quedar satisfeta amb l’explicació. Tant de bo, algun dia, ella sàpiga també qui va ser el Carnot. De moment, ja sap fer baf.

Fonts:

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

3 respostes a Per què fan fum els cotxes?

  1. omalaled diu:

    Moltes gràcies, Higgins.

  2. dan diu:

    Fantàstic. Realment les preguntes dels nens son una font d’inspiracio excel.lent per plantejar noves questions cada dia!

  3. omalaled diu:

    Ay! Dan: la meva filla és una màquina de fer preguntes. Un dia em va preguntar per què el foc cremava. No vaig saber què contestar-li.

    Salut!

Els comentaris estan tancats.