La gente literalmente se está muriendo porque hace tanto calor afuera, resulta que las máquinas tampoco lo están pasando muy bien.

La gente se muere de calor y las máquinas también sufren.

Somos investigadores en ingeniería que estudiamos cómo las máquinas gestionan el calor y formas de recuperar y reutilizar eficazmente el calor que de otra manera se desperdiciaría. Existen varias formas en que el calor extremo afecta a las máquinas.

Ninguna máquina es perfectamente eficiente, todas las máquinas enfrentan cierta fricción interna durante su funcionamiento. Esta fricción hace que las máquinas disipen algo de calor, por lo que cuanto más caliente esté el ambiente exterior, más caliente estará la máquina.

Los teléfonos celulares y dispositivos similares con baterías de ion de litio dejan de funcionar correctamente cuando operan en climas por encima de los 35 grados Celsius (95 grados Fahrenheit), esto es para evitar el sobrecalentamiento y el aumento del estrés en la electrónica.

Los diseños de enfriamiento que utilizan fluidos innovadores de cambio de fase pueden ayudar a mantener las máquinas frescas, pero en la mayoría de los casos, el calor se disipa finalmente en el aire. Por lo tanto, cuanto más caliente esté el aire, más difícil será mantener una máquina lo suficientemente fresca como para funcionar de manera eficiente.

Además, cuanto más cerca estén las máquinas, más calor disipado habrá en el área circundante.

Materiales deformados

Las temperaturas más altas, ya sea por el clima o el calor excesivo radiado por las máquinas, pueden hacer que los materiales en las máquinas se deformen. Para entender esto, consideremos qué significa la temperatura a nivel molecular.

A escala molecular, la temperatura es una medida de cuánto vibran las moléculas. Entonces, cuanto más caliente esté, más vibrarán las moléculas que componen todo, desde el aire hasta el suelo y los materiales en las máquinas. Cuando se calienta el metal, las moléculas en él vibran más rápido y el espacio entre ellas se aleja. Esto hace que el metal se expanda.

A medida que aumenta la temperatura y las moléculas vibran más, el espacio promedio entre ellas aumenta, lo que hace que la mayoría de los materiales se expandan al calentarse. Las carreteras son un lugar donde se puede ver esto: el hormigón caliente se expande, se contrae y eventualmente se agrieta. Este fenómeno también puede ocurrir en las máquinas y las tensiones térmicas son solo el comienzo del problema.

Retrasos en los viajes y riesgos para la seguridad

Las altas temperaturas también pueden cambiar la forma en que los aceites en el motor de su automóvil se comportan, lo que puede provocar fallas en el motor. Por ejemplo, si una ola de calor hace que la temperatura sea 16.7 grados Celsius (30 grados Fahrenheit) más alta de lo normal, la viscosidad, o espesor, de los aceites típicos del motor de un automóvil puede cambiar hasta tres veces.

Los fluidos como los aceites del motor se vuelven más delgados a medida que se calientan, por lo que si hace demasiado calor, es posible que el aceite no sea lo suficientemente espeso como para lubricar adecuadamente y proteger las piezas del motor del desgaste aumentado.

Además, un día caluroso hará que el aire dentro de los neumáticos se expanda y aumente la presión de los neumáticos, lo que podría aumentar el desgaste y el riesgo de derrape.

Los aviones tampoco están diseñados para despegar en temperaturas extremas. A medida que hace más calor afuera, el aire comienza a expandirse y ocupa más espacio que antes, volviéndose más delgado o menos denso. Esta reducción en la densidad del aire disminuye la cantidad de peso que el avión puede soportar durante el vuelo, lo que puede causar importantes retrasos en los viajes o cancelaciones de vuelos.

Degradación de las baterías

En general, la electrónica de dispositivos como teléfonos celulares, computadoras personales y centros de datos consiste en muchos tipos de materiales que responden de manera diferente a los cambios de temperatura. Estos materiales están todos ubicados uno al lado del otro en espacios estrechos. Entonces, a medida que aumenta la temperatura, los diferentes tipos de materiales se deforman de manera diferente, lo que potencialmente conduce al desgaste prematuro y la falla.

Las baterías de ion de litio en automóviles y electrónica en general se degradan más rápido a temperaturas de funcionamiento más altas. Esto se debe a que las temperaturas más altas aumentan la velocidad de las reacciones dentro de la batería, incluidas las reacciones de corrosión que agotan el litio en la batería. Este proceso disminuye su capacidad de almacenamiento. Investigaciones recientes muestran que los vehículos eléctricos pueden perder aproximadamente el 20% de su autonomía cuando se exponen a un clima sostenidamente caliente de 32 grados Celsius (90 grados Fahrenheit).

Los centros de datos, que son edificios llenos de servidores que almacenan datos, disipan cantidades significativas de calor para mantener sus componentes frescos. En días muy calurosos, los ventiladores deben trabajar más para asegurarse de que los chips no se sobrecalienten. En algunos casos, los ventiladores potentes no son suficientes para enfriar la electrónica.

Para mantener frescos los centros, el aire seco entrante desde el exterior a menudo se envía primero a través de una almohadilla húmeda. El agua de la almohadilla se evapora en el aire y absorbe calor, enfriando así el aire. Esta técnica, llamada enfriamiento evaporativo, suele ser una forma económica y efectiva de mantener los chips a una temperatura de funcionamiento razonable.

Sin embargo, el enfriamiento evaporativo puede requerir una cantidad significativa de agua. Este problema es problemático en regiones donde el agua es escasa. El agua para el enfriamiento puede sumarse al ya intenso consumo de recursos asociado con los centros de datos.

Aire acondicionado con dificultades

Los acondicionadores de aire luchan por funcionar eficazmente a medida que hace más calor afuera, justo cuando más se necesitan. En los días calurosos, los compresores de los acondicionadores de aire tienen que trabajar más duro para enviar el calor de las casas al exterior, lo que a su vez aumenta desproporcionadamente el consumo de electricidad y la demanda total de electricidad.

Por ejemplo, en Texas, cada aumento de 1.8 grados F (1 grado C) provoca un aumento de aproximadamente el 4% en la demanda de electricidad.

El calor provoca un increíble aumento del 50% en la demanda de electricidad durante el verano en países más calurosos, lo que plantea graves amenazas de escasez de electricidad o apagones, junto con mayores emisiones de gases de efecto invernadero.

Cómo prevenir los daños por calor

Las olas de calor y el aumento de las temperaturas en todo el mundo plantean problemas significativos a corto y largo plazo tanto para las personas como para las máquinas. Afortunadamente, hay cosas que puedes hacer para minimizar los daños.

En primer lugar, asegúrate de que tus máquinas se mantengan en un espacio con aire acondicionado, bien aislado o fuera de la luz solar directa.

En segundo lugar, considera el uso de dispositivos de alta eficiencia energética como acondicionadores de aire o cargar tu vehículo eléctrico durante las horas de menor demanda cuando menos personas están usando electricidad. Esto puede ayudar a evitar escasez de electricidad local.

Reutilización del calor

Los científicos e ingenieros están desarrollando formas de utilizar y reciclar las grandes cantidades de calor disipado por las máquinas. Un ejemplo simple es utilizar el calor residual de los centros de datos para calentar agua.

El calor residual también podría impulsar otros tipos de sistemas de aire acondicionado, como los enfriadores de absorción, que pueden utilizar el calor como energía para enfriar a través de una serie de procesos químicos y de transferencia de calor.

En ambos casos, la energía necesaria para calentar o enfriar algo proviene del calor que de otra manera se desperdiciaría. De hecho, el calor residual de las plantas de energía podría hipotéticamente cubrir el 27% de las necesidades de aire acondicionado residencial, lo que reduciría el consumo de energía y las emisiones de carbono en general.

El calor extremo puede afectar todos los aspectos de la vida moderna, y las olas de calor no van a desaparecer en los próximos años. Sin embargo, existen oportunidades para aprovechar el calor extremo y hacer que funcione a nuestro favor.


Srinivas Garimella, Profesor de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología de Georgia y Matthew T. Hughes, Investigador Postdoctoral, Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT)

Este artículo se republica de The Conversation bajo una licencia de Creative Commons. Lee el artículo original.