Este post fue escrito y publicado originalmente el 2015 para el blog «Ondas de Blog» del Departamento de Física de la Universidad de Chile, sobre la física y termodinámica de los huracanes.
No sé si una canción de rock melódico sea la mejor forma de comenzar un post en un blog de física (Ondas de Blog), pero lo que dice Rama en su canción ‘Huracanes’ es cierto. Los huracanes son del mar y sobre su termodinámica trata el siguiente post.
Definidos como una circulación cerrada que gira alrededor de una baja presión -zonas donde la presión es más baja que en el entorno- los huracanes son unos verdaderos monstruos meteorológicos. Con ojo en el centro de la baja presión, paredes de nubes, fuertes vientos, precipitaciones intensas, tormentas eléctricas, etc., los huracanes también tienen una relación directa con la física descrita a mediados de los 1800s por Nicolas Léonard Sadi Carnot, un físico de Luxemburgo, famoso por su descripción de algo que hoy conocemos como Máquina de Carnot.
¿Qué son las máquinas de Carnot?
Una máquina de Carnot no es una «máquina» de verdad. En realidad, es un ejemplo de lo que en termodinámica se llama ciclo de calor, o sea, un proceso en el cual una sustancia cambia, realiza algún trabajo y termina volviendo a su estado original. Por ejemplo: usar el vapor expulsado por una tetera para mover un pequeño molino, atrapando luego el vapor para reutilizarlo. La sustancia (agua) se transforma absorbiendo calor (se calienta, pasa a vapor), produce trabajo mecánico (hace girar el molino) y vuelve a su estado original liberando calor (se enfría y convierte en agua nuevamente). Parece que podría funcionar eternamente… suena como el sueño de los fanáticos conspirativos de las máquinas de movimiento perpetuo y gratuito. Salvo por la necesidad de contar con una fuente de calor, que hasta donde sabemos, no es tan gratuita ni perpetua.
Si durante un ciclo se absorbe una cantidad de calor Q1, y se libera una cantidad Q2, entonces el trabajo mecánico realizado es Q1-Q2. Y se puede calcular la eficiencia como el cuociente entre el trabajo realizado y el calor absorbido, (Q1-Q2)/Q1. Si toda la energía recibida pudiera ser convertida en trabajo, tendríamos eficiencia del 100%. Pero no existen máquinas tan eficientes.
¿Cuál es la máxima eficiencia posible? Lo respondió Carnot, uno de los padres de la termodinámica, admitido en la prestigiosa École Polytechnique de París a los 16 años. Carnot definió este ciclo ideal como: 1) expansión de la sustancia sin intercambio de calor; 2) expansión sin cambio de temperatura; 3) compresión sin intercambio de calor; y 4) compresión sin cambio de temperatura. Carnot demostró que este ciclo es el más eficiente posible. Lamentablemente, es demasiado ideal, casi imposible de encontrar en la Naturaleza… Sin embargo, los huracanes -sorprendentemente- están muy cerca.
Huracanes, máquinas de calor naturales y violentas
Los huracanes pueden verse como una máquina de calor que absorbe calor desde una fuente (el océano -la tierra sólida no es capaz de retener el calor necesario), transforma una sustancia (una mezcla de aire seco, aire húmedo y cristales de hielo) y produce trabajo mecánico en el proceso: el viento.
La siguiente figura muestra una representación del huracán, visto «de lado» (de perfil):
En la figura, el centro del huracán está en el borde izquierdo. Hacia la derecha nos alejamos de él. Hacia arriba, subimos por la atmósfera. Esa mancha gris que sube y se adelgaza en la parte superior, representa las nubes del huracán. Los colores indican la magnitud de la «entropía», una medida del grado de desorden de la atmósfera. Rojo significa mucho desorden; azul, poco desorden.
Las líneas negras indican el ciclo termodinámico del huracán. Partamos desde el punto A. Estamos lejos del huracán, el aire está «tranquilo». El aire viaja desde una zona de alta presión (zona azul) a una de baja presión (zona roja), por sobre la superficie cálida del océano, que funciona como fuente de calor para la máquina. Eso permite que el aire sufra una expansión desde A a B, pero sin aumentar su temperatura. Es lo que se denomina una expansión isotérmica. El aire alcanza la pared del ojo del huracán, las fuertes corrientes que forman las nubes de tormenta hacen ascender bruscamente el aire, enfriándolo tan rápidamente que no hay intercambio de calor con el entorno. O sea, entre B y C ocurre una expansión adiabática (la presión disminuye con la altura). Entre C y D ocurre la parte quizás más dudosa: el aire se comprime isotérmicamente (sin cambiar temperatura) debido a la liberación de energía al espacio (en realidad, lo más probable es que en el punto C el aire salga disparado y escape del huracán). Finalmente, entre D y A se produce descenso de aire, producto de las corrientes descendentes de las nubes de tormenta, terminando el ciclo con una compresión adiabática (sin intercambio de calor).
Como vemos, los huracanes parecen perfectas máquinas de Carnot. Pero una máquina de Carnot es «sólo» la más eficiente posible. No necesariamente muy eficiente. La eficiencia se puede calcular sabiendo las temperaturas involucradas. En el caso del huracán, usaríamos la temperatura del océano (27 °C), y la temperatura en la parte más alta que alcanza el aire (-73 °C), resultando una eficiencia del 30%, bastante poco. Afortunadamente, para nuestras pretensiones de conservar construcciones costeras en zonas tropicales.
En la práctica, la eficiencia es aún menor, por «culpa» del propio huracán, algo paradójico -y casi triste, para los amantes de estos sistemas-. Sí, porque los propios vientos que el huracán produce enfrían la superficie del océano, disminuyendo la energía disponible.
Como vimos, es gracias a la energía del calor oceánico que es posible dar vida a estas enormes y potentes máquinas de vapor de la naturaleza. Y como dijimos al principio de este post, si bien los muchachos de Rama no intentaron describir Máquinas de Carnot o procesos termodinámicos en su canción, sí dicen algo muy cierto: los huracanes son del mar.
Para leer más:
Wallace & Hoobs, Atmosferic Science, An Introduction Survey. (second edition) segunda ley de la termodinámica y entropía.
Kerry Emanuel. Hurricanes: tempests in a greenhouse. Quick Study.
Kerry Emanuel. Divine Wind.
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