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La Termodinámica solar y la encíclica del papa Francisco

el 2015/07/17 en Biomasa, Energía Eólica, Energía Hidroeléctrica, Energía Solar Fotovoltaica, Geotérmica, I & D / Innovación, Solar Térmica

BM09_F1_Encíclica papalLa encíclica del Papa Francisco Alabado… (Fig. 1) le concede especial importancia a la afectación que le ocasiona a nuestro planeta y a sus recursos de vida la acción del hombre. Esto es particularmente así cuando la afectación es debida al uso de armas de destrucción masiva.

Fig. 1. Portada de la encíclica del papa Francisco.

En este sentido se debe enfatizar el hecho de que, además del uso de las bombas como tales, son particularmente dañinos los procesos de producción del llamado material fisionable que en ellas se utilizan.

Han resultado particularmente degradantes  para nuestra Tierra los procesos de producción de armas nucleares. Los proyectos nucleares de EEUU (proyecto Manhattan) y la Unión Soviética en la década de los cuarenta son un buen ejemplo de esto. Curiosamente, el estudio desde el punto de vista conceptual del uso de la luz solar como fuente de energía, proporciona el aparato conceptual adecuado para el análisis de este problema. En efecto, hasta el presente no se enseña con suficiente claridad en los cursos de termodinámica de las carreras universitarias y aun en los cursos de nivel medio superior, que el colosal desequilibrio potencial que se logra al fabricar una bomba atómica, por ejemplo, se logra al precio de una enorme compensación termodinámica.

Zonas enteras del mundo han resultado afectadas en el afán de obtener productos nucleares. A su vez, cuando la bomba es detonada se desencadena  un proceso de cinética nunca antes vista. El grado de irreversibilidad del proceso se manifiesta en los conocidos tres efectos destructivos de la bomba: un huracán de velocidad del orden de cientos de km por hora, un huracán de fuego y otro radioactivo, (Fig.2).

BM09_F2_TD_encíclica papal

Fig. 2. Representación de un huracán y la explosión de una bomba átomica.

Explicado de esta forma, el tema es perfectamente comprensible para un alumno del nivel medio superior. Sin embargo, nunca se enseña termodinámica de este modo. Esta es, en última instancia solo un ejemplo de la forma de educar a las futuras generaciones que la Encíclica del Papa  Francisco pide de nosotros.

Lo anteriormente señalado a modo de ejemplo es solo una expresión del criterio defendido en nuestra interpretación de la Encíclica de que el mundo exige para su supervivencia un cambio radical de las concepciones docentes vigentes y más aun de los temas que forman parte de los planes de estudio. En esta nueva concepción de la docencia ha jugado un papel fundamental el estudio de  la termodinámica de los concentradores solares, especialmente el vínculo esencial que se pone  de manifiesto en este estudio entre óptica y termodinámica de la luz solar (Fig.3).

BM09_F3_Termodinámica concentradores solares

Fig. 3. Portada del libro Termodinámica de los concentradores solares.

El milagro de la creación interpretado a través de nuestro Sol.            

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La luz solar y la vida en el planeta

el 2015/07/01 en Energía Eólica, Energía Solar Fotovoltaica, Energías Renovables, I & D / Innovación, Solar Térmica

Se destaca los fuertes vínculos existentes entre la astronomía, la meteorología y la ingeniería del aprovechamiento de la luz solar como fuente de energía. No obstante, es importante destacar también y tratar con algún grado de detalle, la importancia de la luz solar para la vida en el planeta, vista esta relación desde el punto de vista más general y con la segunda ley de la termodinámica como elemento de análisis.

Son tres los temas abordados, dos de ellos de forma comparativa, la fotoconversión de la luz solar (Fig. 1) y la fotosíntesis (Fig.2). Se trata de destacar el hecho de que, dado que la luz solar tiene como fuente de energía un carácter omnipresente que la relaciona con la vida de los animales y con la vida de las plantas, se debe trabajar esforzada y ordenadamente por lograr un escenario en el que el área del planeta dedicada a la vegetación, los cultivos incluidos, se complemente, fundamentalmente, con campos de celdas solares y los captadores térmicos. Todo ello debe ser alcanzado en gran escala de modo que la luz solar juegue el papel que le corresponde en el balance energético de las diferentes regiones del mundo.

BM08_F1_Aprovechamiento de la luz solar

Fig.1. Fotoconversión de la luz solar.

No se trata precisamente de exponer con extensión excesiva los fundamentos de la fotoconversión ni de la fotosíntesis de la luz solar.

BM08_F2_Fotosíntesis de la luz solar

Fig.2. Fotosíntesis de la luz solar.

No obstante, se presentan algunos elementos mínimos de física del estado sólido que permitan adquirir  una visión elemental, sencilla, pero rigurosa, del principio de funcionamiento de una celda solar. De igual modo, se describe el proceso de la absorción de los fotones solares en el esencial proceso de la fotosíntesis.

Se trata, sobre todo, de mostrar, comparativamente, los mecanismos de acción de la absorción fotónica tanto en un proceso como en otro. Y en el fundamento mismo del tratamiento está la segunda ley de la termodinámica, principio de la física y de la ciencia en general que parece subyacer en el centro mismo de la naturaleza y de la vida. Más aun, la segunda ley de la termodinámica, específicamente el principio de degradación de la energía que de ella se deriva, ha de resultar un elemento clave para  la preservación de los recursos de vida del planeta y de la vida misma.

Otro elemento omnipresente y muy activo de la interacción de la luz solar con la vida en la Tierra, es el viento (Fig.3). Como se conoce, el viento es en última instancia un producto de la acción de la máquina térmica que es el la atmósfera, alimentada por la energía procedente del Sol. Sin dudas, junto con la biomasa, la energía eólica es una de las fuentes de energía no convencional de mayor peso relativo en el balance energético mundial.

BM08_F3_Aprovechamiento Eólico

Fig.4. Aprovechamiento energético del viento.

Se trata de energía de gran valor, energía de máxima gradación, es decir de máxima calidad. Se trata de energía mecánica que puede ser convertida, en principio en un ciento por ciento, en energía eléctrica. Sin embargo, por su relación directa con la vida, el fenómeno del viento en su manifestación extrema, los huracanes, son el tema elegido para ilustrar con un ejemplo el mecanismo de acción mediante el cual la energía contenida en la luz solar se convierte en energía mecánica. La energía procedente del Sol se convierte en un proceso relativamente complejo que involucra el movimiento de rotación de la Tierra, en energía de máxima gradación, energía mecánica.

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Enfoque termodinámico de la Energía Eólica

el 2015/05/14 en Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías

Dada la importancia que reviste para el futuro energético de la humanidad las fuentes  renovables,  entre las que se destacan la solar y la eólica (ver Fig.1). También originada en la luz solar, resulta necesaria la realización  de una profunda y detallada  caracterización de cada una de ellas desde el punto de vista  termodinámico. Se alcanza así con estos análisis  una valoración mas cercana a la realidad de las posibilidades de cada fuente se energía, de sus ventajas y limitaciones. Un caso en el que esto se pone de manifiesto con particular evidencia es el de la energía eólica.

BM05_F1_Molino_de_viento_Aerogenerador1

Si se piensa ahora en un aerogenerador, se advierte al instante que este dispositivo opera, termodinámicamente, a un nivel máximo de gradación de la energía. Por otra parte, dada su disponibilidad en algunos puntos de la superficie de La Tierra en cantidades apreciables,  y  a partir de lo señalado anteriormente,  resulta evidente que la energía eólica presenta la muy atractiva característica de que se trata de la posibilidad de producir energía eléctrica en cantidades apreciables en el balance energético de un país.

Resulta indudable que la energía  eólica ha resultado muy adecuada para la producción de energía eléctrica, lo que la equipara en este aspecto a las fuentes las convencionales y la nuclear. Parecería que con relación a la energía del viento todo está resuelto y todo se resuelve, pero no es así. La  producción  de electricidad a partir  de generadores eólicos  esta sometida a toda una serie de problemas, algunos los cuales  tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente. Un histograma vientos,   luego de ser aproximado por una distribución  gaussiana (Fig. 1),  tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre  que es lo mismo que decir  de desinformación.

BM05_F2_Distribución gaussiana

Fig. 2. Distribución gaussiana.
Un concepto propio de la teoría  de la información, no de la termodinámica clásica,  el de   entropía de una distribución, caracteriza  adecuadamente esta situación y contribuye a dar, sin dudas,  una visión objetiva  y realista del viento como fuente de energía. La desviación media cuadrática de la gaussiana resulta clave en esta determinación.   tienen su origen en el carácter aleatorio de la fuente. Un histograma vientos,   luego de ser aproximado por una distribución  gaussiana (Fig. 1),  tiene asociado un determinado nivel de incertidumbre  que es lo mismo que decir  de desinformación.
Un recordatorio necesario
La Segunda Ley de la Termodinámica, sin dudas, uno de los descubrimientos científicos más importantes del siglo XIX, subyace en la esencia misma de los procesos naturales.

 Por otra parte, una de las conclusiones más importantes  que se derivan de su  enunciado, constituidos por dos tesis independientes, específicamente de la primera de ellas, la referida a los procesos reversibles, es la existencia  de diferentes calidades o gradaciones de energía.  Una aplicación directa  de la clasificación  de Brillouin a las fuentes de energía  renovables más conocidas, arroja el siguiente resultado:

  1. Energía eólica y solar fotovoltaica (mecánica y eléctrica);
  2. Hidrógeno (química) a partir de la luz solar;
  3. Calentamiento de diversos tipos (calor).

Los grupos son definidos en términos de calidad de la energía y, en este contexto,  el mecanismo de acción  de la II Ley se manifiesta del siguiente modo: los procesos  de conversión  de una forma de energía  superior a otra de inferior calidad transcurren espontáneamente,  que es lo mismo que decir sin compensación. Por el contrario,  las transformaciones energéticas en sentido inverso solo son posibles al precio de una compensación.

El aerogenerador tiene lugar una convención de energía mecánica  en eléctrica. El viento tiene un intrínseco carácter aleatorio. Este carácter entrópico de la fuente eólica  afecta apreciablemente la fiabilidad operacional del sistema.

Por otra parte la incertidumbre ligada a esta  característica del régimen de vientos puede ser descrita, mediante el concepto de entropía diferencial. La entropía diferencial, por el contrario,  se enmarca en la teoría  de la información, y como establece Dimitrev, es una medida  de la indeterminación  media de  una magnitud aleatoria.

En una primera aproximación, esta idea puede ser entendida del modo siguiente: sea la salida del sistema de tal grado de aleatoriedad, que sean posibles  P  resultados de salida. Se dice entonces que la indeterminación viene dada por la expresión logarítmica:

H  = log P                                                      (1)

Ejemplo: sean 27 bolitas de aspecto exterior idéntico, Se conoce, sin embargo, que una de las bolitas es ligeramente más pesada que el resto del conjunto. De lo que se trata es de determinar el número mínimo de pesadas que es necesario realizar en una balanza de comparación, para detectar la bolita más pesada.

Solución:

De acuerdo con la formula  (1), evaluada para  P = 27, la indeterminación inicial es: H = log  27.

Por otra parte, la incertidumbre eliminada en cada pesada es  log3, dado que tres son los resultados posibles de una pesada de comparación. De modo que el numero mínimo de pesadas viene dada por:

BM05_F3_Fórmula
y, por tanto, se tiene  n =  3.

No resulta difícil comprobar que, efectivamente, agrupando inicialmente las 27 bolitas en tres grupos de nueve bolitas cada uno, el problema se resuelve en tres pesadas.

Generalizando ahora el problema tratado anteriormente, se puede concluir que se trata de una aproximación sucesiva a la eliminación total de la incertidumbre inicial. En cada etapa, mediante la información se iba eliminando incertidumbre. Se trata de lo que se conoce como principio  Neguentropico de la información. Obviamente, neguentropia, en este contexto, es sinónimo de nivel de conocimiento sobre el sistema.

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Cerificadores solares para extraer cera de abejas

el 2015/04/14 en Conservación Agro-alimentos, I & D / Innovación, Procesado de Alimentos, Solar Térmica

Equipos solares para extraer cera de abejas

Según comunicación del profesor Dr.Becquer Camayo, et al. [1]  de la Universidad Nacional del Centro de Perú de la ciudad de Huancayo, Junín [1], se realizo una investigación con el propósito de contar con un equipo solar optimizado llamado cerificador solar para extraer la cera de abejas de los panales.

Existen diferentes procedimientos para extraer y purificar la cera entre los cuales está los tradicionales y con equipos solares. Lesser [2]  plantea que: La cera puede fundirse en baño María o simplemente colocando los pedazos de panal en un recipiente con agua puestas sobre el fuego, cuando la cera está líquida comienza a flotar y se vierte sobre moldes previamente preparados.

 La forma más práctica, limpia y económica se realiza por medio del fundidor de cera solar, que es una caja con tapa de vidrio [1].

Funde la cera mediante el calor que acumula  estando en el sol. En la parte media y su interior tiene una bandeja en plano inclinado, de donde cae la cera, una vez fundida, en un molde. La cera extraída por el método solar siempre es de color claro, blanqueándose más a medida que está expuesta al sol.

Se experimentó con cuatro prototipos de cerificadores, los cuales se muestran en las figuras siguientes:

B03F1_Cerificadores solares de cera

Fig. 1. Cerificadores solares  de cera con un vidrio y con dos vidrios.

B03F2_Cerificador solar de cera

Fig. 2. Extractores  solares de cera con un vidrio y reflector y  con dos vidrios y reflector.

Para determinar el equipo óptimo según su rendimiento se  desarrolló ensayos experimentales considerando las magnitudes cantidad de cera extraída y el tiempo transcurrido por los prototipos  de cerificadores solares. La cera extraída o producida se caracterizó de acuerdo a las normas técnicas de control de calidad de ceras de abejas del laboratorio tecnológico del Uruguay (LATU).

RESULTADOS

El presente trabajo se llevó a cabo en las instalaciones de la ciudad universitaria de la Facultad de Ciencias Aplicas de la Universidad Nacional del Centro del Perú ubicado en Pomachaca del distrito de Tarma, Provincia de Tarma, situado a 3000 m.s.n.m. La realización de la fase experimental de los extractores de cera de abejas y los análisis  de la cera de abejas se realizó los meses de mayo y junio del año del 2014. Los resultados de la extracción con los cuatro tipos de extractores solares de cera se muestran en la Tabla.

B03F6_Tabla1 de cerificadores solares de cera

A fin de establecer la apariencia general de la cera de abeja obtenida de los diferentes tipos de cerificadores establecidos en la presente investigación se ha evaluado algunos parámetros como la solubilidad, olor, aspecto y sabor. En los cuatro prototipos se obtuvo una capa sólida y homogénea, un olor característico de la miel, un aspecto de sólido amorfo y un sabor característico.

   En trabajo [1] se concluye que:

  1. El equipo solar óptimo para la extracción cera de abejas es el cerificador que cuenta con una tapa de doble vidrio y espejo como reflector seguido por el cerificador con tapa de un vidrio y espejo como reflector.
  2. La cera de abejas extraída con los equipos solares tiene la calidad de acuerdo a las Normas de control de calidad de ceras de abejas del laboratorio tecnológico del Uruguay (LATU).
  3.  El equipo solar es una propuesta ambientalmente sostenible de aplicación de energías limpias para los apicultores por su bajo costo y facilidad de manejo constituyéndose una tecnología apropiada.

Referencias

  1. Ruíz Romero, Norma;  Vilcahuaman Portada, Berenice; Dr. Becquer Frauberth Camayo Lapa, Becquer y Massipe Hernández, Juan Raúl. “Optimización de un equipo solar para extraer y caracterizar cera de abejas”.  XXI Simposio Peruano de Energía Solar, 10-14 de Noviembre. Piura, Perú.

 2. Lesser, R. (1998). Manual de la apicultura moderna. (2da. Ed). Chile: Universitaria.

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por naRural

Premios Odebrecht 2014 de Perú

el 2015/04/09 en Energía Solar Fotovoltaica, Otras Energías, Solar Térmica

P01_F01a_Premio OderbrechtLa 5ta edición del “Premio Odebrecht para el Desarrollo Sostenible”, iniciativa de la Organización Odebrecht llevó a cabo su ceremonia de premiación a los equipos ganadores de su 5ta edición, los cuales se impusieron a más de 100 proyectos de 38 universidades  por considerar en la génesis de sus propuestas las variables económica, ecológica y social.

http://www.premioodebrecht.com.pe/system/posts/images/76/original/150401.jpg

Sirvan estos premios para fomentar la investigación y la innovación de nuestros estudiantes en las energías renovables y las tecnologías sostenibles.

Los dos equipos ganadores de la edición 2014 presentaron los siguientes proyectos:

  1. Iluminación solar y purificación de agua – Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Lima).
  2. Inti Muya – Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo (Chiclayo).

En el siguiente vídeo se muestra un resumen de los proyectos finalistas:

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Sistemas solares en los Andes peruanos II

el 2015/03/30 en Bioclimatismo, Blog, Calefacción y Refrigeración, Consejos en línea, Ingeniería / Consultoría, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

Cámaras Calientes 

Según comunicación del profesor Dr.Ciro Espinoza de la Universidad Nacional del Centro de Perú  [1], “el Grupo de Energía Solar de la UNCP realizo una investigación con el objetico de determinar cuál es la configuración del sistema de calefacción que influye eficientemente en reducir el friaje en viviendas del alto-andinas [1].

El frío impacta con mayor fuerza en los pobladores del alto-andinos, y con mayor razón en poblaciones pobres. Sin embargo, durante los meses de intenso frío el cielo es despejado con una relativa alta radiación solar que podría almacenaje para utilizarse durante las noches que es el momento donde las temperaturas bajan en extremo”.

Beneficiados

La cantidad de viviendas beneficiadas en este proyecto con la instalación de Muro Trombe o Cámaras Calientes para la calefacción son 31 vivendas ubicadas en los ditritos de San José de Quero y Yanacancha de las provincias de Concepción y Chupaca de la regón de Junín en el Perú.

El muro Trombe 

¿Qué es un muro Trombe?

Es un captador-acumulador-emisor de la energía solar cuya función es calentar espacios, cámaras, habitaciones durante la noche. En la Figura 1 se muestra en esquemas detalles de un muro Trombe y de la cámara caliente

Muro Trombe y cámara caliente solar

Fig. 1. Muro Trombe con pared y lecho de piedras.

El muro Trombe está compuesto por una superficie transparente, de vidrio o de plástico, una cámara de aire y un acumulador másico de calor por calor sensible que puede ser una pared (muro) o un lecho de piedras, que permite durante el día solar  acumular la energía solar en forma de calor sensible para disipar este calor durante la noche.

Detalles constructivos de la cámara caliente

En las Figuras 2 y 3 se muestran detalles constructivos de las cámaras calientes del muro Trombe.

Lecho de piedras de muro TrombeFig. 2. Lecho de piedras de las cámaras calientes.

Cubierta transparente de muro Trombe

Fig. 3. Cubierta transparente del muro Trombe.

Condiciones ambientales y actinométricas

En [1] se selecciono 6 viviendas de las 31 para realizar un estudio de su comportamiento térmico. Estas viviendas se encuentran ubicadas entre los 3652 msnm y 3900 msnm. Las horas de sol que recibe la cámara caliente varía en función de su orientación geográfica, este número oscilo entre 6 y 8 horas al día.

Alturas solares en hemisferio surAl encontrarse las viviendas ubicadas en el hemisferio Sur de nuestro planeta, la menor altura solar de 54°se alcanza el 21 de junio y la mayor altura soalr de 101° el 21 de diciembre como se muestra en la Fig.4.

Fig. 4. Alturas solares en Hemisferio Sur [1].

Registro de temperaturas

Según [1], el registro de las mediciones de las temperaturas de la cámara, habitación se realizó entre las 11:00 h y las 13:00 h medios a intervalos de 15 minutos. Durante la medición los conductos de aire estaban abiertas.

Temperaturas en viviendas con muro TrombeEl promedio de las temperaturas se muestra en la Tabla 1. Estos resultados muestran que los muros Trombe con cámaras calientes mejoran las condiciones de vida de sus pobladores y por consiguiente su salud.

Ejemplos de viviendas muro Trombe y cámaras caliente

Muro Trombe_cámara caliente solar_Andés peruanos

Referencias

  1. Espinoza Montes, C.A. “Sistema de calefacción solar para reducir el friaje en viviendas alto andinas”. Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional del Centro de Perú, 2014.
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La Entropía de Boltzmann

el 2015/03/26 en Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

El  concepto de entropía  fue establecido por  Rudolf  Clausius en la segunda mitad  del  Siglo  XIX, en el limitado contexto de la  termodinámica  clásica. Sin dudas  es la aproximación más conocida y divulgada  del polémico concepto, debido a que ha encontrado un sinnúmero de aplicaciones en el campo de la termodinámica técnica, de la química y en otros campos específicos de la ciencia. Sin embargo, intrínseca en esta formulación esta la dificultad señalada por  W.  Pauli que  reza  asi:

 “Extraño nos parece que en la termodinámica siempre es necesario hacer una  rigurosa diferenciación entre calor y trabajo,  a pesar de que el primer principio habla de su equivalencia. La  mecánica estadística (la basada  entre  otras  cosas  en el concepto  estadistico de  entropía),  no requiere de estos procedimientos  mágicos. Ella explica las peculiares propiedades  termodinámicas por medio del comportamiento microscópico de los sistemas dotados de un gran número de  grados de libertad inimaginablemente grandes”.

 Al mismo problema de la termodinámica clásica se refirio Leon  Brillouin en su Libro  Ciencia, Información e Incertidumbre. En su capítulo I el autor  escribió:

“En la termodinámica  clásica  el concepto de valor parece estar  esencialmente ligado a los conceptos de calor y temperatura. Los físicos no han sido capaces, y quizás no lo sean, de desligar estas entidades”.

 En el caso específico de esta blog, cuyo objetivo fundamental es la interpretación y aplicación de la II  Ley en universos muy alejados del lugar de origen de la termodinámica, tanto los señalamientos de Pauli, como los de Brillouin tienen gran relevancia.

Entropia y II ley de la Termodinámica

 Sin embargo, constituye  un hecho indiscutible, que desde su surgimiento la mecánica estadística, y especialmente  su concepto estadístico de entropía, ha sido patrimonio casi exclusivo de físicos y teóricos en general, que han encontrado en ella solución  a problemas fundamentales y también enjundiosas  aplicaciones. A  esto se  añade  que, desafortunadamente, ha sido tradicional la presentación separada de la termodinámica fenomenológica, es decir, la llamada termodinámica clásica y la  mucho más  potente  como teoría  física,  termodinámica  estadística.

 Aunque resulte increíble, esta  conducta estuvo signada por el hecho de que, surgida en el punto más critico de la controversia de los físicos Mach y Ostwald, de gran influencia entonces en Europa, con Boltzmann, sobre la existencia misma de los átomos, el nuevo enfoque de la termodinámica siempre pendió la duda sobre sus propios fundamentos.

 De este modo, la más ortodoxa formulación clásica de la termodinámica siempre ha resultado privilegiada en relación con la estadística lo que  sin dudas  resulto en perjuicio  de  la  formación  de generaciones  y generaciones  de profesionales  de diversos tipos. Como es conocido en el caso de la  termodinámica estadística, se trata de un enfoque microscópico que depende absolutamente de la elaboración de un modelo físico. Obviamente, dado que ya no existe  duda sobre la existencia misma de los átomos, información que hubiera significado  para  Boltzmann la vida, no se justifica la posición original de preterir la mecánica estadística.

  Dado que el concepto de entropía de  Boltzmann forma parte esencial de este universo, si se quiere alcanzar una comprensión masiva del concepto, es necesario poner especial énfasis en la claridad de la presentación. Una forma de lograr esto, sin dudas lo constituye el proceder de inicio a una formulación del concepto de entropía con un enfoque estadístico, obviando cualquier referencia  a la formulación clásica. Esta última  resulta particularmente inadecuada cuando de enfrentar el reto de  Brillouin de extender  la  termodinámica  más allá  de  su lugar  de origen se trata.

 Por otra parte, a partir de la aparición en pleno  Siglo  XX de la  teoría de la información, especie de extensión de la termodinámica como rama  de la física teórica, el concepto de entropía adquirió una nueva connotación y también un nuevo significado. De hecho adquirió una nueva dimensión, toda vez  que un concepto propio  de la teoría  de la información, la  llamada  entropía  de  Shannon, al margen  de  su  total  semejanza de su  expresión matemática con  la definición de entropía  de Boltzmann, es  una  medida del grado de desinformación  que se tiene sobre  un sistema  y no se relaciona, por tanto, como la entropía  en termodinámica, con el estado del sistema como tal. Esta  sutil diferencia es  muy  importante.

  A  continuación se desarrollan  distintas  aplicaciones del concepto de  entropía  estadística de  Boltzmann con el propósito de mostrar  su  universalidad  y, de este modo, su inestimable  valor. Se  trata de temas diversos, algunos  de ellos sin antecedente  conocido en la literatura  especializada, como la pandemia  del VIH, por  ejemplo. Este  es  solo el comienzo de un esfuerzo   abarcador que incluirá  en un futuro inmediato que abarcara en el caso del VIH, tanto el mecanismo de acción  de  la  adquisición de la  enfermedad como fenómeno de  invasión viral de las  células sanas,  como  su  comportamiento epidemiológico. Este  es  un tema, como se  conoce, altamente  sensible  para  la  humanidad.

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La lógica ilógica del micromundo

el 2015/03/19 en Energía Solar Fotovoltaica, Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías, Solar Térmica

La lógica del micromundo incluido el átomo, el núcleo y las partículas elementales que lo constituye, como el neutrón, el protón, los mesones, difiere sustancialmente de la lógica del macromundo; el mundo en que vivimos que ha condicionado todas nuestras perfecciones del mundo circundante. A partir de las representaciones que el ser humano ha desarrollado sobre la base de sus experiencias cotidianas, es muy difícil aceptar la lógica del micromundo, es decir, la lógica de la mecánica cuántica.

La primera cosa que es importante no dejar de repetir es que la capacidad de predicción, como teoría científica, de la mecánica cuántica se basa en consideraciones de naturaleza probabilística.

En realidad, para  comprender el enfoque  microscópico de  Boltzmann, no es necesario estudiar  en detalle la peculiar  composición atómica.

Desafortunadamente, los prejuicios contra el concepto de entropía  estadística han durado demasiado, casí  un  siglo. Hoy  día el concepto tiene, docentemente,  un alcance  limitado, siendo patrimonio casi exclusivo del mundo  de los  físicos  teóricos.

Existen dos formas de percibir  la realidad, la racional y lógica propia  de la ciencia, y la intuitiva, esencialmente  subjetiva, propia  del  arte. En realidad  no es una frontera definida  lo que las divide;  hay mucho de intuición en la  ciencia  y también hay racionalidad  en el reflejo de la realidad  del  artista.

La  obra de  Boltzmann se  ubica en el tipo de reflejo  racional de la realidad, la de  Hawking  en esa  especie de tierra  de  nadie entre lo racional y lo estético, mitad ciencia y mitad  poesía. Ambos  resultaron ser del tipo de ser  humano que, al decir del poeta guatemalteco  Roque  Dalton,  son  los  culpables  de nuestros sueños. La  muestra  plástica  que aquí se ofrece, con su obstinada insistencia  en el agobiante  tema de la  irreversibilidad  de los procesos reales, constituye  un imprescindible homenaje  a estos dos  físicos.

Una  aclaración  necesaria

Este trabajo constituye solo   un paso  más de los esfuerzos realizados  por los autores  para colocar el  llamado  principio  de entropía  de  Boltzmann y el enfoque  mismo del gran científico austriaco sobre  el fenómeno de la irreversibilidad, que es lo mismo que decir sobre los procesos de  degradación de los  sistemas para la vida, en el centro de  la  lucha por la  supervivencia humana.

 De lo que se trata es de intentar  resolver toda  una larga cadena de problemas actuales que en su devenir podrían conducir a un dramático escenario. Se  trata de una forma de enfocar la lucha por evitar catástrofes de todo tipo,  de mitigar  sus  consecuencias  en el caso de que ocurran, y también de enfocar  racionalmente el problema del uso  de la energía en un mundo que cada vez comprende mejor que  los recursos de que dispone son finitos y que ineluctablemente se agotaran en un futuro demasiado cercano.

Cuba, país  donde se pueden encontrar los  antecedentes  de estas ideas, recogidas en la monografista titulada  Termodinámica de los concentradores solares, Editorial Española, resultado  bibliográfico  de un curso de postgrado de carácter  nacional que  acumula casi veinte  años de experiencias docentes y de investigación sobre  fuentes  renovables de energía; debe ser por lógica  y derecho propio .

Una  experiencia  sacada  de  este esfuerzo  docente  es  que el proceso  de  concentración de  la luz  solar  constituye  una  forma  clara y rigurosa, muy original, de ´presentar el concepto de  entropía  de  Boltzmann”. Este enfoque debería formar parte de la docencia habitual universitaria y tecnológica.

Más  aun, dada la sencillez  de su formulación matemática del concepto de entropía  de  Boltzmann,  que requiere solo el dominio del concepto de logaritmo y de algunas de sus propiedades  elementales, la empresa resulta en principio perfectamente  factible. La  célebre formula física:

                 S =    k · ln W

la cual, sin tanto impacto como la relativista de  Einstein:  E = mc2, removió los cimientos de la física teórica  a principios  del  siglo XX.

Por otra parte, ya hoy día está claro para todo el mundo que los  recursos  de que  el  hombre  dispone para  vivir  están sometidos hoy día  a  un constante proceso  de extinción y degradación que, por lo general, lamentablemente  se  manifiesta  a  un ritmo  vertiginoso. Se trata  de un proceso constante de aumento de entropía en  el mundo, integralmente considerado, como un sistema, que la supervivencia humana, en peligro,  impone  controlar con premura. Por esta  razón, la  llamada  definición estadística  de entropía, la de  Boltzmann, sin dudas, la forma  más clara de presentar  este  concepto, necesariamente  debe ser  del  conocimiento de todos.

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Sistemas solares en los Andes del Perú

el 2015/03/10 en Bioclimatismo, Energía Solar Fotovoltaica, Solar Térmica

En una mañana de Septiembre de 2014, me paso a recoger a las 4.00 am, en el Hotel donde me hospedaba en la ciudad de Huancayo, Junín, Perú el profesor CarlosAñadir objeto  miembro del equipo de investigación que dirige el  Dr. Ciro Espinoza de la Universidad Nacional del Centro del Perú, con el objetivo de visitar 9 viviendas a 4000 msnm en los distritos de Yanacancha y San José de Quero de las provincias de Chupaca y Concepción de la Región de Junín del Perú,  en las cuales se instalaron colectores solares termosifónicos de tubos al vacio para el suministro de agua caliente sanitaria, un sistema fotovoltaico aislado para el alumbrado,  un muro tromble para reducir el friaje, cocinas ecológicas con evacuación de gases y un invernadero para el cultivo de hortalizas.

La experiencia fue única e inolvidable, ver como el uso de tecnologías solares y sostenibles contribuye al incremento de la calidad de vida, salud y bienestar  a familias  en los altos de los Andes y el agradecimiento de sus pobladores es una demostración de las potencialidades y del alcance estas tecnologías.

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Fig. 1. Colector solar termosifónico y módulo fotovoltaico.

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Fig. 2. Vista de los sistemas solares instalados en una vivienda.

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Fig. 3. Invernadero para el cultivo de hortalizas.

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Fig. 4. Con el profesor Carlos y estudiantes colaboradores de la UNCP.

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Ludwig E. Boltzmann

el 2015/03/05 en Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

 Ludwig Eduard Boltzmann
(Viena1844 – DuinoItalia, 1906)
 

En la austera  tumba de Boltzmann, en el Zentralfriedhof, el cementerio central de Viena, en el pedestal se puede ver, caso quizás  único en un cementerio, una  fórmula  matemática, la  célebre formula física:

                                     S =   k·ln W

 la cual, sin tanto impacto publicitario como la de  Einstein,  E = mc2, removió los cimientos de la física teórica  a principios  del  siglo XX.

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Hoy  día  esta  claro  que  la  obstinada  y  absurda  oposición brindada  por  Ernst  Mach y  Ostwald al enfoque  microscópico  de  Boltzmann  los  llevo, en su obstinación al absurdo de negar  la  propia  existencia  de  los  átomos. Esto  sembró  la  duda  sobre  la propia  interpretación microscópica  de la  entropía, esencialmente  probabilística, y de paso sobre  la  genial interpretación de  Boltzmann  de la irreversibilidad. Por  esta  razón, durante  décadas, se  ha preferido  siempre  la presentación de la termodinámica  con el  enfoque  clásico, también denominado  fenomenológico.

Pero, sin dudas, la peor  consecuencia de todo este  absurdo fue el suicidio  del propio  Boltzmann, presa  de gran depresión al no poder  mostrar la evidencia  de la existencia  de los  átomos. Paradójicamente, solo dos  años  después  de su muerte, el genial experimento  de  Perrit, basado en  la explicación de  Einstein del movimiento  browniano, proporciono la prueba deseada.

 Por  estas razones, desde hace más de un siglo la física estadística, que es lo mismo que decir la termodinámica estadística, ha sido patrimonio exclusivo de los físicos teóricos y, de este modo utilizada  limitadamente solo en problemas de esta rama de la física. Sin embargo, resulta evidente que comprobada hasta la saciedad la  existencia de los átomos, lo que de haber ocurrido a tiempo hubiera   evitado el suicidio de  Boltzmann, no existe ya razón alguna para no incluir  la física estadística como una rama del conocimiento tan válida y necesaria como la propia termodinámica fenomenológica.

 Es necesario decir  también algunas palabras  sobre el resto de la  obra de  Ludwig  Boltzmann. En realidad es difícil  sobrevalorar  la obra de  Boltzmann, inestimable por su valor práctico y también teórico. Además de su célebre  teorema  H, brillante fundamentación teórica de la  II  Ley de la Termodinámica, estableció el principio de equiparticion de la energía a partir de los grados de libertad de un sistema. Esta fue la base para la determinación de los calores específicos de los gases poli-atómicos. Suya es también la llamada ecuación cinética de los gases, base  para la descripción de sistemas en estado de desequilibrio.

Stephen  Hawking  en su libro  Historia  del  Tiempo, especie  de  best  seller  científico,  estableció  la idea  de lo que  el denomina  flecha  del  tiempo; una  forma  bella  y original de  expresar  la esencia  del  trascendental concepto  de  irreversibilidad, quizás  el  más  universal de  los  conceptos científicos.Pero  sería  injusto atribuirle  a  Hawking la  paternidad  de esta  idea. En realidad  todo comenzó alrededor  de 1900 cuando  un genial  físico  austriaco, Ludwig  Boltzmann,  desarrollo  su enfoque  microscópico de la materia, incluido el concepto de entropía  estadística.

Mediante  este enfoque, Boltzmann  logro dar  una interpretación clara físicamente, con un enfoque esencialmente  probabilístico, del  llamado  principio de degradación de la  energía, consecuencia  directa  del  llamado  II  Principio  de la  Termodinámica y,  sin dudas, de  un  alcance  universal  como  ningún otro principio de  la  Física.

 Boltzmann logro precisamente,  hacer  de este   principio  algo  verdaderamente  universal  por  la infinita  gama  de aplicaciones a  sistemas  y procesos,  muy  alejados del universo de  procesos energéticos  hoy  convencionales en los que  tuvo su  origen,  que  en lo adelante fueron posibles. Sin embargo, el mundo científico  no fue  generoso  con  Ludwig  Boltzmann, ni mucho menos  proclive  a  asimilar  sus  geniales  aportes.

En medio de un cruel  y  absurdo acoso  luchaba  contra  la incomprensión de la comunidad  científica encabezada por  dos  físicos que en su afán de combatir las  ideas  de  Boltzmann  llegaron al increíble  absurdo  de negar  la existencia misma de los  átomos. Aunque  hoy  día después  de la  aparición de evidencias  tan contundentes como  la  explosión de  una  bomba  atómica, está  claro lo  absurdo de esta  idea, lo cierto es  que entonces  no existía  evidencia alguna  de la  existencia del átomo. Carente de la evidencia  experimental  que sustentase su  teoría, el genial  físico, hombre  de  profundas  convicciones  éticas, cayó en un estado de profunda  depresión.

Boltzmann cometió un error, sobrestimo el tiempo necesario  para la  aparición  de la  evidencia experimental que confirmara  su  teoría. En realidad  solo transcurrieron dos  años entre  el suicidio de  Boltzmann  y la  realización del  experimento de  Perrit  sobre  la naturaleza del  movimiento  browniano que demostró  irrefutablemente la existencia  del átomo.

En lo adelante, la  física  atómica  se desarrollo  vertiginosamente. Pero  ya era  tarde  para  el hombre  que  dio la clave de  la comprensión de los colosales  procesos de degradación que  amenazan con extinguir  la vida en el planeta.

 Lo que  la  historia  de la física le deparo a los  dos principales promotores  del acoso  a  Boltzmann fue  en realidad  muy  cruel. En realidad  sus irreales visiones de la materia, defendida  autoritariamente, y producto evidentemente de una  burda   confusión de los  campos de acción de la  filosofía  y la  física, era  aun mas  contrastante con la  realidad que lo que la  propia  existencia  del átomo, sin profundizar  en su sorprendente  estructura, puso de manifiesto.

 En su  brillante  obra  de  divulgación científica Cosmos,  Kart  Sagan describió en una contundente frase la  peculiar  naturaleza del micromundo: “La materia es la nada escribió, refiriéndose  al  hecho  de  que, de  acuerdo con la información obtenida; siempre  por  métodos  indirectos y como resultado de brillantes  experimentos  que  abarcaron un periodo de casi cuarenta  años; el átomo está  constituido por una  nube  electrónica  de  densidad  casi nula y un núcleo extraordinariamente pequeño en el que  en realidad  se concentra  toda  la materia”. Dado que la evidencia experimental es  esta, la  frase   de K. Sagan, de   carácter  informal, resulta  totalmente  justificada.

 Boltzmann que  vivía en la bucólica  seguridad  de la   Viena de los últimos  años  del  poderoso  Imperio  Austrohúngaro, ajeno totalmente  a  los  problemas  existenciales  que  hoy  agobian  al mundo,   no  imagino la magnitud colosal de  los  problemas que sería posible  abordar  con su genial interpretación del concepto  de  irreversibilidad.

Como tantas  veces  ocurre, nadie  percibió entonces el alcance de  aquel  aporte. Fue  muy  intensa la luz que arrojo sobre  el terrible  problema  de la degradación del  hábitat  humano. Pero era  demasiado audaz  para  la pobre  mentalidad científica e inmóvil percepción del mundo de  la ciencia, básicamente clásica,  de principios del Siglo XX.

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