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.