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martes, 6 de marzo de 2012

Calor latente. Una de fantasmas físicos...

Llevamos ya semanas sin frío, pero seguimos viendo –en el blog y en el campo– las consecuencias de las heladas de mediados de mes. Vistos los datos grado a grado, las mínimas no han sido mucho menores que otros años; pero los daños sí han sido más graves, e incluso en zonas donde no se han alcanzado temperaturas bajo cero las plantas han sufrido mucho. La razón no es otra que el invierno extremadamente seco que estamos viviendo –el más seco en décadas–. Pero… ¿Qué tienen que ver los daños por el frío con la humedad? Pues mucho, aunque parezca mentira. Pero para entenderlo hay que meterse en el mundo de los “fantasmas físicos”; conceptos que ni se ven ni se tocan ni se perciben, pero que determinan el clima de nuestro invernadero y afectan decisivamente a nuestros cultivos. El frío como tal no existe para la física (ni siquiera llega a la categoría de fantasma) En física solo existe la energía en forma de calor –el frío sería como mucho la ausencia de calor–; y es el calor lo que se puede cuantificar, así que vamos a tratar de seguirle la pista al calor en nuestro invernadero. Eso sí: evitando fórmulas, que quedan muy feas (si alguien está interesado en ellas puede buscarlas en un manual de psicometría o preguntarme por email)
El calor no es otra cosa que la energía de movimiento –en forma de vibración– de las moléculas de una masa –da igual que sea sólida, líquida o gaseosa– (ya hablamos de ello aquí) Nuestros invernaderos están diseñados como captadores solares, es decir, para acumular la energía del sol en forma de calor. Pero… ¿cómo se acumula esa energía? Parte del calor será acumulado directamente por el cultivo y el suelo; aunque esta cantidad de calor se puede estimar(1) no tiene hoy mucho interés hacerlo, pues depende exclusivamente de la radiación solar que entre en el invernadero; poco o nada tendrá que ver la humedad del aire. Cuando el suelo y el cultivo se hayan calentado más que el aire del invernadero, empezarán a cederle calor a este aire. Esta cesión de calor desde el cultivo y el suelo al aire del invernadero incrementará la energía de las moléculas de aire y, por tanto su temperatura; este es el llamado calor sensible (porque lo podemos medir) Pero mezclado con el aire de nuestro invernadero hay más o menos vapor de agua. Este vapor de agua era agua líquida que ha pasado a gas en la superficie del suelo –por evaporación– o en las hojas –por transpiración–, procesos que consumen mucha energía en forma de calor. O sea, gran parte del calor acumulado por suelo y planta se traslada al aire del invernadero en forma de vapor de agua, aunque este aporte de calor no aumenta la temperatura del aire. Como no hay forma humana de medir este calor, se le llama calor latente (porque no lo podemos medir, aunque afortunadamente es fácil de calcular) Este calor latente no se pierde, sino que volverá a liberarse cuando el vapor de agua se transforme en agua líquida al condensarse rocío; así que es una reserva de calor muy efectiva.
Pongamos números a esto. Imaginemos 1 Ha de invernadero a dos aguas con capillas de 8 metros –4 metros de altura en las raspas y 3,5 metros en los amagados– que al final de un día de invierno ha alcanzado una temperatura de 15ºC, pero veamos cuanto calor acumula con 85% y 50% de humedad relativa. Los datos están en la tabla de la segunda imagen, donde me he permitido la libertad de pasar el calor acumulado en el aire del invernadero a su equivalente en litros de gasoil, para que los que no tengan formación física intuyan de que estamos hablando. El calor sensible acumulado es prácticamente igual –al fin y al cabo depende casi exclusivamente de la temperatura del aire–, pero las diferencias en cuanto a calor latente acumulado son muy importantes –pues dependen exclusivamente del vapor de agua presente en el aire, muy diferente en los dos casos–. Tan importantes son las diferencias, que el invernadero acumula un 32% más de calor estando húmedo (85% de humedad relativa) que seco (50%) aunque la temperatura del aire sea la misma. Pero si es importante la cantidad de calor acumulado, más importante aún es cómo, cuándo y dónde se va a liberar este calor latente una vez que el vapor de agua comience a condensar.
Un parámetro físico importante para explicar la condensación y fácil de calcular es la temperatura de rocío; que no es otra cosa que la temperatura a la que empezaría a condensarse rocío en una masa de aire húmedo, en función de su temperatura y humedad relativa actual (en definitiva, de la cantidad de vapor de agua que contiene) Como ilustra la tercera imagen, el rocío condensa sobre superficies que están a menor temperatura que el aire y por debajo de su temperatura de rocío. Habrá condensación e intercambio de calor latente justo en la superficie de contacto, aunque el resto de la masa de aire esté a una temperatura superior a la del punto de rocío. Al caer la noche dentro de un invernadero, el cultivo comienza a perder calor por radiación muy rapidamente, así que en pocas horas estará más frío que el aire del invernadero. Cuando la temperatura de la planta sea más baja que la temperatura de rocío comenzará a condensarse agua sobre el cultivo y el calor latente liberado en este cambio de gas a líquido aportará calor directamente a las plantas sobre las que está ocurriendo esta condensación. Desde este punto de vista, la temperatura de rocío nos indica hasta que temperatura debe enfriarse el cultivo para que comience a condensarse agua sobre él y nuestra reserva de calor latente comience a aportarle calor. Fijándonos en los ejemplos de la tabla de la segunda imagen, si en el invernadero tenemos un 85% de humedad relativa la temperatura de rocío es de 12,5ºC, así que cuando la planta alcance 12ºC comenzará a condensarse agua sobre ella y a recibir así algo de calor. Si en el invernadero tenemos sólo un 50% la temperatura de rocío es de 4,7ºC, así que nuestra planta tendrá que enfriarse hasta algo menos de 4,5ºC para que se condense algo de agua sobre ella, solo entonces recibirá algún aporte de calor. Evidentemente la temperatura que alcanzará la planta en este segundo caso será mucho menor, y el riesgo de daños por helada es mucho más alto (a fin de cuentas los daños por helada ocurren cuando la temperatura de la hoja baja por debajo de 0ºC)
Parece claro que la humedad relativa alcanzada la tarde antes de una helada es importante a la hora de qué aportes de calor –procedentes del calor latente– reciba nuestra planta durante la noche, y que estos aportes nos pueden salvar de una helada. Pero eso no debe hacer que perdamos el norte… En primer lugar el aporte de calor solo dura mientras hay vapor de agua pasando a agua líquida, así que si en mitad de la helada se deja de condensar agua se acaban los aportes de calor. Es el cambio de estado el que libera calor no el agua líquida sobre las plantas; así que nebulizar no sólo no sirve de nada, sino que es contraproducente. Por otra parte, meter agua sea como sea en el invernadero NO ES UNA SOLUCIÓN. Si regamos a mediodía el día antes de la helada podemos incrementar ligeramente la humedad relativa del invernadero y mejorar algo la situación; pero –a la luz de la física– regar por la noche es un absoluto sin sentido. En un invernadero frío y en plena noche no hay ninguna posibilidad de que las moléculas de agua líquida pasen a vapor de agua, así que el único aporte de calor será el del agua líquida y éste es muy bajo si nuestro riego es por goteo.  Poniéndole números, si en el invernadero de nuestro ejemplo cuando comienza la helada –es decir, cuando la temperatura del aire es 0ºC– se diera un riego de media hora con agua a 10ºC y asumiendo que el 5% de esa agua estará en contacto con el aire el tiempo suficiente para intercambiar todo su calor (ya que el agua rápidamente filtra en el suelo) el aporte de calor al aire del invernadero –en el total de la Ha– es sólo de 62,8 MJ (lo que corresponde al calor producido por la combustión de 1,7 litros de gasoil) y sólo aumentará la temperatura del aire en 0,8ºC. El efecto directo de este ligero aumento de temperatura sobre el cultivo es mínimo; muy poca cosa para arriesgarse a encharcar las raíces, diría yo…

(1) Evidentemente las moléculas del cultivo y del suelo acumularán calor en forma de vibración, y esto producirá un aumento de su temperatura. La temperatura del suelo es relativamente fácil de medir con un termómetro adecuado –generalmente será más baja que la del aire si el cultivo está desarrollado y más alta si el cultivo es joven–. La del cultivo es más difícil, aunque podríamos medirla manualmente con un termómetro de infrarrojos o de forma automática con un termistor –generalmente será menor que la del aire–. Aunque midamos estas temperaturas es difícil cuantificar cuanto calor se acumula en nuestro invernadero de esta forma; primero porque es difícil estimar la masa del cultivo y segundo porque aún es más difícil estimar su calor específico. Además, en el caso del suelo habría que considerar las pérdidas por transmisión en profundidad, que dependerán de la naturaleza y la humedad del suelo.

21 comentarios:

  1. Así se ha podido observar que invernaderos con doble techo que no han acumulado humedad se han helado y el de al lado con el mismo cultivo sin doble techo no. Ahora de cara a la primavera es esencial para conseguir la calidad deseada en fruto y para que las plagas y virus no se desarrollen,
    La energía latente es mucho más importante en un cultivo que el abonado, así su ausencia nos limita mucho más aunque pensemos meno en ella. Recordemos el post del pepino, regula la humedad, energía latente, con tres medios, plástico, cultivo (riego) y la capacidad de la tierra para ceder humedad (mayor que la de un enenerenado).
    Diríamos que si hay suficiente energía latente el cultivo es feliz y habrá suficiente calcio en la plantea, que es otra medida de felicidad.

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  2. mis felicitaciones entomofilico, despues de leer este post uno empieza a creer que si trabajamos todos en este tema seria estupendo. la verdad es que pasan demasiadas cosas en un invernadero que se nos escapan a nuestros ojos y no sabemos como resolver el problema .

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  3. Juan perro; no siempre se puede disponer de plástico, y como mencionas el riego y el abonado. Mediante abonado, según que cultivo, hablo para cierto tomate; puede aumentar el potencial osmótico en suelo; que repercutirá el coeficiente de cultivo y por lo tanto reducirá la evapotranspiración de cultivo. Lo cual puede prevenir al incidencia de peseta en fruto.

    El abonado es parte tambien de la ecuación.

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  4. Lo que si seria bueno seria nebulizar con agua un poco caliente por ejemplo de 30 grados, para lo que habria que tener un pequeño calentador electrico de agua que la tarde antes fuera llenando un deposito para la nebulizacion con aislante termico. No se lo que opinais vosotros.

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    1. Eso calentaría la planta temporalmente, pero para que no fuera contraproducente habría que seguir nebulizando durante toda la noche de helada; y me explico:
      Si mojas la planta con agua a 30ºC esto calentará temporalmente a la planta, pero al final el conjunto planta + agua sobre la planta quedará a la misma temperatura (el calor del agua se repartirá a la planta hasta que ambas queden con la misma cantidad de calor) A partir de ahí tanto el agua como la planta comenzarán a enfriarse porque el aire esta mucho más frío.
      Pues resulta que el agua (que es lo que está en contacto directo con el aire) se enfría más rápido que la planta. Al enfriarse el agua -porque le cede calor al aire- de dónde coje más calor, pues de la planta y eso es precisamente lo que tratamos de evitar en una helada. Resultado final: Una helada negra cojonuda en el cultivo. Ante una helada la peor combinación es una planta mojada y un ambiente seco que no va a condensar agua... Los resultados pueden ser catastróficos.
      Si sigués nebulizando toda la noche evidentemente no pasaría esto porque siempre estas metiendo más agua caliente, pero creo que haría falta mucho más que un pequeño calentador eléctrico para calentar el agua necesaría para horas nebulizando...
      No sé..., yo diría que para eso mejor meter unos calefactores a gasoil y calentar de verdad.

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    2. Al precio que esta el gasoil yo apostaria mas por una caldera de biomasa (hueso de aceituna, cascara de almendra, etc.)

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    3. ¿qué cuesta una bombona de gas butano?, ¿cuantas gastan dos calentadores de gas (de los normales de las viviendas), en línea, durante toda la noche?, ¿qué caudal dan y cuanto aumentan la temperatura en la nebulización de una ha.?, ¿cuanto tiempo se pueden tener encendidos?, ¿que cuestan dos calentadores de gas?.

      ¿CUANTO VALE SALVAR UNA COSECHA?

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  5. Hola, soy el anonimo de la nebulizacion con agua a 30 grados. como dice viña larga lo que habria que ver es cuanto agua a 30 grados hace falta para ir nebulizando durante toda la noche por cada 1000 m2. y a lo mejor con un calentador electrico de 200 litros y traspasando agua a un deposito de unos 3000 litros con aislante termico se podria salvar una cosecha "por cuatro duros"

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    1. Yo creo que no es necesario llegar a 30º y pienso que el caudal que pueden dar dos calentadores de gas es suficiente para poner a unos 20º, o quizá más, el agua de la nebulización de una ha. Y no hay problemas de almacenamiento ni gasto innecesario ya que se encenderían cuando se viese necesario.

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    2. La física es la física, y haciendo cuentas un poco a lo bruto en un invernadero de 1 Ha y 3 metros de alto (suponiendo que fuese hermético y que se trasmitiera todo en calor del agua) hacen falta 291 litros de agua a 30 grados (o 445 litros de agua a 20 grados) para subir 1º la temperatura del aire cuando está a 0ºC.
      Siguiendo a Gabriel en el sistema de nebulización, tenemos 100 boquillas Ha de 7,5 litros/hora, así que tenemos un caudal de 750 litros/hora Ha.
      Sin parar de nebulizar durante la helada podríamos aumentar entre 1,5 y 2 grados la temperatura del aire, a costa de tener después de una hora 750 litros de agua a 1 o 2ºC -y eso es agua muuuuuuy fría- encima de nuestras plantas.
      Y eso en las mejores condiciones del sistema, imaginando que no hay perdidas de calor en la tubería y que entonces todo el calor de nuestro agua pasa al aire y a la planta, y que la temperatura del aire no va a seguir bajando -algo muy raro en medio de una helada-. Si el sistema se para un momento y hay agua tan fría sobre las plantas la helada negra es casi segura...
      Si la finca se está enfriando de verdad, me parece a mi que con esas temperaturas de agua y ese caudal de nebulización poco haremos, amigo Viñalarga y compañero anónimo... Sinceramente creo que el riesgo de empeorar la situación es muy alto con estas soluciones "caseras"

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  6. lo barato sale caro, en ocasiones muy caro, asi que los experimentos con gaseosa. Para todo aquel que quiera dormir tranquilo las duras noches de heladas primero que se pegue a la parienta, el que no la tenga que ponga alguna manta mas a la cama y en el invernadero hay por ahi algunos sistemas ingeniosos y no caros para quemar biomasa, todo es estudiarlo

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  7. Siempre me ha jodido que se le diga a la pareja la parienta, yo no tengo parentesco alguno con esa persona q se acuesta conmigo, quita, quita, echate payá

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  8. tu eres anónima, vamos, esta claro, y encima feminista y seguro que soltera y con ganas y falta de macho. joer que plaga

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  9. Aquí hay costumbre, las noches que barruntan helada, quemar paja en un bidón dentro del invernadero para meter humo. Hace unos días leí que en Sevilla se había formado una boina de humo, decían que podía venir del campo, agricultores temerosos ante heladas. ¿Alguien tiene el fundamento teórico del asunto? Yo nunca lo he hecho pero algunos mayores del lugar me lo han dicho.
    Me parece que sale mas económico y eficaz que las soluciones que dais, eso creo yo.
    Un saludo y enhorabuena por el post.

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    1. Lo de quemar paja se ha hecho al aire libre toda la vida (sobre todo en viñedos) y siempre ha ayudado. El problema es que el humo es algo más que carbonilla y ceniza en suspensión. Me explico...
      Teóricamente cuando arde algo -aparte de en ceniza- se convierte en monoxido de carbono (CO2) y agua (H2O) que son productos más o menos inócuos. Si embargo, al quemar cualquier residuo se pueden formar cantidades muy pequeñas de oxidos de nitrogeno (NOx) y oxidos de azufre (SOx) Estos compuestos son MUY fitotóxicos incluso a pequeñas concentraciones.
      Si se forman estos compuestos al aire libre no suele pasar nada porque se difunden en la atmósfera antes de hacer daño al cultivo, pero al concentrarse el humo en un invernadero el problema puede llegar a ser grave.
      O sea, que la paja puede ser una solución o un problema más grave que la helada; depende de las sustancias que lleve mezcladas y de como arda esa noche...

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  10. menos mal que de vez en cuando se lee algo ameno, lo digo por el ultimo anonimo, que porlo menos te ries un rato, despues de algunos tostones

    Deberiais visitar alguna finca con biomasa, eso si que es ahorrar (unas 4-5 veces si lo comparas con gasoil), y se tarda lo mismo en calentar el invernadero. Eel mejor invento. Hay una finca muy chula encima de Vegacañada, que es de uno de Coag, y otro mas. Estan pa verlas, en serio , son de cascara de almendra y hueso de aceituna, muy bien molidas

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    1. Es cierto anónimo, los calefactores de biomasa son una buena solución y el combustible es muy económico. La única pega es que esl combustible es más engorroso de manejar (siempre es más fácil almacenar y mover por la finca un líquido -el gasoil- que un sólido -la biomasa-), pero a los precios que manejamos merece la pena.

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  11. podias explicar si la calefaccion es de aire o agua?, gracias

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    1. La calefacción siempre de aire caliente. Las calefacciones por agua dan más salto térmico, pero no tiene sentido esa inversión en Almería

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