Climatización, convección y un tren frío

El de hoy va a ser un post muy peculiar, ya que voy a comentar un caso de mala ciencia aplicada en el mundo real. Lo que podríamos llamar un caso de mala ingeniería (o tal vez, mal uso de un aparato). Uso con mucha frecuencia el transporte ferroviario, concretamente una línea MD de RENFE (servicio de Media Distancia, llamado coloquial e incorrectamente «regional»). Esta servicio lo realizan trenes de la Serie 449, bastante modernos, pero que presentan una peculiaridad incómoda.

El interior del tren está climatizado, como cabría esperar, de forma que en verano circula aire frío (a veces demasiado, pero eso es otra historia), y en invierno aire caliente. En las fechas en las que estamos, y teniendo en cuenta que a las horas a las que cojo el tren, la temperatura ambiente puede ser de unos pocos grados, o incluso estar bajo cero, el correcto funcionamiento de la climatización del tren es fundamental. Puede suponer la diferencia entre un viaje agradable, o una tortura. La cuestión es, que siempre que viajo en ese tren, la salida de aire caliente se realiza por el techo. Aunque hay unas rejillas a ras del suelo, y a veces están tibias al tacto, nunca he notado que saliera por ahí aire caliente. Es decir, para calentar el interior del vagón, sale aire caliente por la parte superior del mismo.

¿Y cuál es el problema? Pues la Ley de Charles y el Principio de Arquímedes. Supongo que a todos nos han dicho alguna vez eso de «el aire caliente sube porque pesa menos». Eso es debido a una combinación de las dos leyes mencionadas.

Por un lado, la Ley de Charles nos dice que manteniendo la presión constante, la temperatura y el volumen de un gas ideal son directamente proporcionales. Esto es, si la temperatura aumenta o disminuye, el volumen también aumenta o disminuye. Puesto que la masa no se ve afectada, y recordando que la densidad es el cociente de la masa entre el volumen, resulta que al aumentar la temperatura de un gás, aumenta el volumen, y por tanto, disminuye la densidad. Es decir, el aire caliente es menos denso que el aire frío.

Aquí entra en acción la segunda parte de nuestra ecuación: el Principio de Arquímedes. Todos recordaremos eso de «un cuerpo sumergido en un fluido, recibe un empuje vertical y hacia arriba, igual al peso del volumen del fluido que desaloja». Esto mismo se puede aplicar aunque el cuerpo sea también un fluido. Puesto que el aire caliente es menos denso que el aire frío, para un mismo volumen, el peso del aire caliente es inferior al del frío. Por tanto, el aire frío empujará al aire caliente hacia arriba.

La ascensión del aire caliente es algo que podemos apreciar en multitud de ocasiones. El humo de un cigarrillo, por ejemplo, asciende porque lo hace el aire de alrededor, calentado por la combustión del tabaco. También asciende el aire caliente alrededor de una llama, y por eso nos quemaremos si ponemos la mano encima de una vela encendida, aunque podamos acercar mucho la mano si lo hacemos por un lado. Y es también lo que hace que los globos aerostáticos de aire caliente, puedan volar.

Ahora volvamos a nuestro tren. Tenemos una temperatura ambiente muy fría, y queremos calentar el interior de un tren. Pero para ello, inyectamos aire caliente por la zona superior. ¿Qué ocurre? Pues que el aire caliente se queda cerca del techo, mientras que el aire más cercano al suelo sigue frío. El aire en reposo es un mal conductor del calor, por lo que en una distancia relativamente corta (la altura del vagón), podemos encontrar una diferencia de temperaturas considerable. Si te pones de pie, es posible tener la cara colorada del calor, y los pies casi congelados. Nunca he comprobado empíricamente la diferencia de temperatura entre el techo y el suelo (a ver si consigo un termómetro apropiado), pero usando la rigurosa metodología de «a ojo de buen cubero», me atrevería a decir que es de más de 10 ºC.

La forma más adecuada de calentar un recinto, es inyectando el calor cerca del suelo. El aire calentado ascenderá, y el frío descenderá, calentándose a su vez. Es lo que se conoce como convección. Justo al revés que en el tren.

Como he mencionado antes, los vagones tienen unas rejillas a ras del suelo, pero por ahí nunca he notado que saliera aire caliente, más bien lo contrario (a veces, sale aire frío). Así que no sé si el problema es un mal diseño del tren, o un mal uso del climatizador por parte del operador. En cualquier caso, es una molestia considerable para los sufridos viajeros, que además acarrea un coste energético desaprovechado.