Termodinámica del agua


¿Qué es la Termodinámica?



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¿Qué es la Termodinámica?


De menor a mayor profundidad de alcance (según criterio del autor [4]), la respuesta podría ser:

  • La ciencia del calor: la calorimetría y la transmisión de calor.

  • La ciencia de la energía y sus transformaciones: el motor térmico, que fue capaz de sustituir a los esclavos por máquinas y crear 'el caballo de hierro' (Fig. 1). Pero ¿entran también la energía hidráulica, la energía eólica, la energía eléctrica y la energía nuclear?

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Fig. 1. 'Que me coja el que pueda'. Richard Trevithick en 1804 desarrolló la primera locomotora (para una mina en Gales), pero destrozaba las vías de madera y fue destinada a mover un eje sin moverse de sitio.




  • La ciencia de los principios, tradicionalmente cuatro, que en el orden cronológico propuesto son el segundo, el primero, el tercero y el cero. Esta ha sido la visión tradicional, y a este respecto, cabe citar que en una lista de los mayores logros de la ciencia de todos los tiempos (Science 251, p. 266-267, 1991) los cuatro principales eran:

  1. El Universo es predecible (pero hay caos determinista).

  2. Un solo conjunto de leyes describe todo tipo de movimiento (leyes de Newton, o leyes de la electrodinámica cuántica).

  3. La energía más la masa se conserva en todo sistema aislado (1ª ley de la Termodinámica).

  4. La energía de todo sistema aislado siempre evoluciona hacia formas menos útiles (2ª ley de la Termodinámica).

  • La ciencia de los fenómenos térmicos naturales y artificiales, entendiendo por 'térmico' en sentido amplio todo fenómeno físico que genere entropía, y no sólo la transmisión de calor, y que puede resumirse así [4]:

Tabla 1. Fenómenos térmicos naturales y artificiales que estudia la Termodinámica.



variables

fenómenos naturales

fenómenos artificiales

Temperatura, T

Si hay gradiente de temperatura, T, y se deja, tiende a 0 (el frío y el calor se pierden)

Se puede generar T (calefacción y refrigeración)

Velocidad,

Si hay gradiente de velocidad, , y se deja, tiende a 0 (todo acaba parándose)

Se puede generar (propulsión)

Concentración*, c

Si hay gradiente de concentración, c, y se deja, tiende a 0 (todo acaba mezclado)

Se puede generar c (separar lo mezclado)

Energía asociada a cualquiera de los 3 flujos anteriores

La energía tiende a degradarse (i.e. las potencialidades iniciales y los aportes de trabajo acaban saliendo como calor)

La energía degradada puede revitalizarse a expensas del ambiente (e.g. máquinas térmicas)

*En realidad no es la concentración, c, de cada especie química, sino su potencial químico, , el que, en ausencia de campos externos tiende a uniformizarse [4].

¿Qué es el agua?


La respuesta a esta pregunta clave de este artículo, depende en gran medida del interlocutor. Veamos algunas posibles respuestas (inventadas):

Niño: (recitando lo que le dice el maestro) el agua es un líquido incoloro (transparente), insípido e inodoro.

Humanista: el agua es la vida, el origen de las civilizaciones: Mesopotamia, Nilo, Indo, Yantsé. (Y sin embargo nada ha matado a tanta gente en todos los tiempos como el agua infectada o por inundaciones: actualmente 3 millones de muertos al año y el 80% de todas las enfermedades en los países pobres).

Filósofo: el agua es todo (ya lo dijo Tales de Mileto en el s. VI a.C.). El 70% de nuestro cuerpo, el 74% de la superficie de la ecosfera (71% hidrosfera más 3% criosfera). Y el agua todo lo humedece: la tierra y el aire. Ya Aristóteles en su "Meteorológica" describe el ciclo del agua.

Teólogo: el agua es pureza y bendición (lluvia, diluvio, bautismo, hisopo, 'María' viene de mar). También en La Biblia (Job, 36 (27)) se describe el ciclo del agua.

Ingeniero: el agua es el líquido elemento (tierra sólida, agua líquida, aire gaseoso, fuego destructor).



Ingeniero Civil: el agua es el principal suministro y efluente urbano. Obras públicas de abastecimiento había ya en el 3000 a.C. en Nippur (Sumeria), y como obra magna de desagüe cabe citar la Cloaca Máxima en Roma, hacia el 100 d.C. (en Roma había hasta 9 acueductos de hasta 4 m2 y 80 km, suministrando en total 300 m3/día y el consumo medio llegaba ya a 200 litros por persona y día).

Ingeniero Naval: el agua es el sustento del buque (pero a la vez lo oprime y lo corroe). La vía navegable ha sido la de mayor tráfico de personas: así fueron pobladas América y Oceanía, y sigue siendo la de mayor tráfico de mercancías, y la explotación de recursos marinos no ha hecho más que empezar (acuicultura, minería oceánica, energética, deportes náuticos).

Ingeniero Térmico: el agua es un fluido caloportador, crioportador, capaz de generar vapor, y manométrico. El agua es el fluido de trabajo del motor solar que mantiene vivo el planeta.

Empresario: el agua es un bien económico más, sometido a las leyes de la oferta y la demanda. La demanda es enorme: fisiológica, 3 litros por persona y día para bebida y cocina; sanitaria, para lavabo y baño, lavado y limpieza de ropas y utensilios; agropecuaria, para regadío (3/4 del uso mundial); industrial; ocio; ..., ¡hasta para el váter hace falta agua!. El consumo de agua, como el de energía, está ligado al desarrollo social, y crece desde los 4 litros por persona y día de consumo en medio rural pobre, hasta los 700 litros por persona y día de las metrópolis norteamericanas.

Político: el agua es un bien estratégico que ha sido siempre causa de inestabilidad (conflictos y guerras). Los primeros asentamientos tuvieron lugar en las fértiles llanuras fluviales próximas a las desembocaduras, y los asentamientos más pobres aguas arriba, pero éstos tienen la posibilidad de ¡alterar la calidad y el curso de las aguas! (ya el Derecho Romano ponía límites de distancia al establecimiento de comunidades río arriba).

¿Cómo debe ser la política hidráulica: municipal, regional, nacional, de cuenca, o mundial? Del agua fresca mundial el 80% se usa para riego, el 15% para abastecimiento urbano (doméstico, público e industrial), y el otro 5% para la industria no urbana. Para España la distribución es la misma, y del agua urbana el 63% va a los hogares, el 12% al comercio y la industria urbana, el 9% a limpieza y fuentes públicas y el resto, un 16%, se pierde por las tuberías.

¿El agua une los pueblos? Antes sí los unía: cultura del Egeo, canales, rutas de navegación; pero ahora parece que los separa: Canal de la Mancha, Estrecho de Gibraltar.

Químico: el agua es H2O, según etiquetó Berzelius en 1826 (más algo de sales, gases y coloides disueltos o en suspensión). Un compuesto químico familiar (H2O es la fórmula química más conocida por el vulgo), pero de propiedades extravagante (ver más abajo sus propiedades), y de la cual no sabemos mucho (casi sabemos más de la estructura del hielo y del vapor, incluso de las estrellas del cosmos y de los átomos del microcosmos, que de la estructura del agua líquida).

Biólogo: el agua es el medio biológico natural y la fuente de toda la materia viva (a través de la fotosíntesis). La vida siempre ha sido en medio acuoso por dentro y por fuera del sistema vivo; los seres vivos son bolsas de agua (lo que da la tersura), permeables al agua, desde una persona, a una célula (que no es más que una suspensión acuosa de iones y macromoléculas). Desde hace 3,5 miles de millones de años que empezó la vida, hasta hace 500 millones de años sólo hubo vida en la hidrosfera, y, aún después de poblar la litosfera, la vida empieza rodeada de líquido amniótico). Los intercambios materiales de una persona adulta con el exterior son también predominantemente acuosos: e.g. para una persona adulta, en media, de los 4 kg/día de ingesta, 3 son de agua (2 de bebida más 1 en la comida). En las personas, el hipotálamo regula la temperatura y la sed (el agua es decisiva en el control térmico de los organismos homeotermos). La deshidratación de los sistemas vivos origina su muerte, pero también la de los microorganismos causantes de la putrefacción, por lo que la (desecación) se usa en la preservación de alimentos.

Profesor: ¿qué agua?: ¿el agua dulce, el agua salada, el agua pesada, el agua potable, al agua oxigenada, el agua dura, el agua salobre, el agua mineral, el agua regia, el agua fuerte, el agua carbónica... (el aguardiente, el aguamiel, el aguacero, el aguachirle, el aguamarina, el aguarrás)?





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