Marco teorico

Isla de calor

El efecto conocido como isla de calor urbana (ICU) produce mayores temperaturas del aire en el centro de las ciudades comparado con sus áreas suburbanas circundantes. Este fenómeno se relaciona principalmente con la alta densidad edilicia (mayor masa de acumulación), la alta absortancia de los materiales presentes en la ciudad, la escasez de espacios verdes, las características morfológicas de los cañones urbanos, y el calor antropogénico liberado (OKE et al., 1991).

Los materiales utilizados en la envolvente edilicia y estructura urbana desempeñan un papel muy importante en el balance térmico de una ciudad. Ellos absorben la radiación solar e infrarroja y disipan parte del calor acumulado a través de procesos de convección y radiación hacia la atmósfera, aumentando la temperatura ambiente (SANTAMOURIS; SYNNEFA; KARLESSIET, 2011). El rendimiento térmico de los materiales está determinado principalmente por sus características ópticas y térmicas. El albedo y emisividad térmica, son los factores más importantes (DOULOS; SANTAMOURIS; LIVADA, 2004).

Materiales fríos

Los materiales fríos se caracterizan por:

(a) alta reflectancia solar (â): la reflectancia solar o albedo, mide la capacidad de un material de reflejar la radiación solar incidente, considerando la reflectancia hemisférica de la radiación integrada en el espectro solar; incluyendo reflexión especular y difusa. Es medida en una escala de 0 a 1 (o 0-100%); y

(b) alta emisión infrarroja (ε): la emitancia infrarroja mide la capacidad de una superficie para liberar -a través de radiación infrarroja – el calor absorbido por el material, en relación con un cuerpo negro de igual temperatura.

Si un material frío se aplica en una envolvente edilicia, esto se traduce en una disminución de las cargas de calor que penetran hacia el interior del edificio y al entorno urbano. Por lo tanto, éstos materiales contribuyen con la reducción de la temperatura ambiente, ya que la intensidad convectiva de calor desde una superficie más fría es más baja. En el gráfico se indican los principios básicos de comportamiento térmico de un material frío (Figura 2).2

1,2www.scielo.br/scielo.php?pid=S1678-86212012000300008&script=sci_arttext

Como son percibidos los colores de los objetos

Un cuerpo opaco, es decir no transparente absorbe gran parte de la luz que lo ilumina y refleja una parte más o menos pequeña. Cuando este cuerpo absorbe todos los colores contenidos en la luz blanca, el objeto parece negro.

Cuando refleja todos los colores del espectro, el objeto parece blanco. Los colores absorbidos desaparecen en el interior del objeto, los reflejados llegan al ojo humano. Los colores que visualizamos son, por tanto, aquellos que los propios objetos no absorben, sino que los propagan.

Absorción y reflexión

Todos los cuerpos están constituidos por sustancias que absorben y reflejan las ondas electromagnéticas, es decir, absorben y reflejan colores.

Cuando un cuerpo se ve blanco es porque recibe todos los colores básicos del espectro (rojo, verde y azul) los devuelve reflejados, generándose así la mezcla de los tres colores, el blanco.

Si el objeto se ve negro es porque absorbe todas las radiaciones electromagnéticas (todos los colores) y no refleja ninguno.3

3http://www.fotonostra.com/grafico/coloresobjetos.htm

El color y el calor

El color de los objetos

El color de un objeto depende de lo que le sucede cuando la luz incide sobre él. Los diferentes materiales absorben algunos colores y reflejan otros. Los colores que vemos son los colores reflejados por el objeto. Por ejemplo, una hoja de color verde absorbe todos los colores excepto el color verde. La hoja refleja el color verde y ése es el color que vemos. Las cosas de color negro absorben todos los colores y no reflejan ninguno. Las cosas de color blanco reflejan todos los colores. Un filtro cromático absorbe ciertos colores de la luz y deja pasar otros.

En dependencia del color o de la superficie, la luz se refleja de forma diferente. Esto resulta muy interesante a la hora de elegir los colores con los que fabricar la ropa, los autos, los techos y otros objetos de nuestra vida cotidiana. Si utilizamos, por ejemplo, ropa de un color que refleje bastante la luz, no tendremos tanto calor en verano como si fuese de un color que no la refleje tanto.

El calor

Si un objeto emite luz roja por sí mismo significa que está a una temperatura capaz de dañar nuestra piel. La energía que se sitúa a partir del rojo visible es aquella que contiene todos los colores que los humanos conocemos. Los colores de las cosas corresponden al color o colores de la luz o luces que reflejan cuando son iluminados por el Sol. De aquí que sea muy distinto un objeto pigmentado de rojo que un objeto “al rojo” a causa de su temperatura. El primero no se ve en la oscuridad y el segundo sí.

Relación entre color y calor

Otro ejemplo para relacionar calor y color lo entrega un quemador común de gas (acetileno, gas manufacturado o licuado). Cerrando el paso del aire, la combustión se torna débil por falta de oxígeno y la llama toma un color anaranjado, propio del quemado de leña. Este fuego es de color naranja y suele impregnar con hollín las ollas a causa de la mala combustión (el humo negro es carbono sin combustionar).

Si se abre el paso de aire para que haya una mejor oxigenación se logra una llama de color azul, sin humo. Eso indica una combustión total y, por lo tanto, mayor temperatura de emisión. Obteniendo una regulación óptima la llama será azul-violeta, lo que indica aún más temperatura.

La luz que emite esta llama; o sea, su calor, será también relativamente más alta a medida que su color de emisión derive hacia el violeta. Es así como la luz blanca, con todos sus colores, está contenida en una pequeña parte del espectro electromagnético, cuyos colores representan distintas cantidades de energía, es decir, el calor. Si un objeto desprende un color más allá del violeta, estará emitiendo ultravioleta, que es el caso de una soldadura por arco eléctrico. La luz emitida por ella es de tal intensidad que el soldador debe utilizar protecciones especiales para no perder la vista o quemarse la piel con la luz ultravioleta.

De lo anteriormente expuesto podemos sacar las siguientes conclusiones:

  • Si un objeto se ve de “color blanco” significa que su pigmentación superficial es capaz de reflejar todos los colores de la luz; o sea, toda la luz blanca, y esto provoca en el cerebro esa sensación de “color blanco”.

  • Todos los pigmentos mezclados dan como resultado el color negro.

Captación de la energía solar

El recubrimiento negro no refleja ningún color y absorbe casi toda la radiación solar (90 a 98 %). En la vida cotidiana, como hemos dicho antes, se aprovecha esta propiedad cuando nos vestimos con colores oscuros en invierno; y en el verano, de color blanco, ya que refleja casi todas las longitudes de onda (15 a 40 %). Todos los otros colores están en porcentajes intermedios en proporción a su tono y brillo.

En síntesis, el color de una superficie da una buena indicación de la absorción de la radiación solar. La absorción decrece y la luz reflejada aumenta con la claridad del color, pero el color no indica el comportamiento de una superficie con respecto a la radiación que pueda emitir en virtud de su temperatura.

Por ejemplo, las pinturas negras y blancas tienen muy diferentes poderes de absorción de la radiación solar y una superficie negra se vuelve más caliente por la exposición al Sol; pero las emisiones de onda larga de los dos colores son iguales y se enfrían igualmente en la noche por radiación a la bóveda celeste.4

4www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia17/HTML/articulo08.htm

Superficies secas y oscuras absorben más luz solar.

El tipo de superficie es un factor importante en cuanto a los patrones espaciales de las capas de temperatura del aire superficial y de dosel en la ciudad. Las temperaturas son más altas en aquellas zonas con mayor densidad de construcción, y son más bajas cerca a parques o zonas más abiertas (Figura 2). Las temperaturas de la superficie son especialmente susceptibles a las condiciones de la superficie: durante el día las superficies secas y oscuras que absorben luz solar fuertemente se vuelven muy calientes, mientras que las superficies más claras y/o mojadas son mucho más frías.2,3 El sombreado de la superficie también ayuda a controlar la temperatura. 

Ciertas estructuras y geometría de las ciudades favorecen a las islas de calor.

La forma de la ciudad incluye los materiales usados en la construcción, las características de las superficies de la ciudad, tales como las dimensiones y espaciamiento de las edificaciones, las propiedades térmicas, y la cantidad de espacios verdes. La formación de islas de calor es favorecida por

  • materiales de construcción relativamente densos que son lentos en calentarse y enfriarse, y almacenan una cantidad de energía

  • el reemplazo de las superficies naturales por superficies impermeables o a prueba de agua, lo que induce un área urbana más seca, en donde hay menos agua disponible para la evaporación, lo cual contrarresta el calentamiento del aire

  • una menor capacidad de las superficies de reverberar la radiación solar; las superficies oscuras, tales como las carreteras de asfalto, absorben más luz solar y se ponen mucho más calientes que las superficies de color claro.

Una solución: tejados y pavimento de colores claros.

La comprensión de los mecanismos físicos subyacentes a la formación de las islas de calor provee la base para el desarrollo de controles que pueden promover o aliviar las islas de calor, pero en algunos casos la aplicación de esos controles es difícil. Por ejemplo, el cambio extenso en la geometría de la superficie urbana a través del espaciamiento de las edificaciones, generalmente no es factible. Sin embargo, otras estrategias son posibles -por ejemplo, usar tejados y pavimentos blancos o de otro color claro.

Otras soluciones son árboles y espacios verdes.

Una solución de tipo biológico es usar vegetación para reducir el calor urbano. La vegetación provee importantes efectos de sombra al igual que enfriamiento a través de la evaporación. Algunos ejemplos incluyen:

  • Sembrar árboles alrededor de edificaciones individuales para sombrear las superficies urbanas y así reducir su temperatura, especialmente aquella de los tejados y de las paredes de los costados sur oriental y occidental. La reducción en la temperatura de la superficie también conduce a reducciones substanciales en el uso de energía para el aire acondicionado.

  • Los árboles también pueden ser usados para sombrear calles y parqueaderos, los cuales de otra manera se pondrían muy calientes durante el día y almacenarían calor para luego liberarlo durante la noche. El sombreado de vehículos en los parqueaderos puede reducir la emisión de vapores de gasolina, lo cual contribuye a incrementar los niveles de ozono urbano.

  • Los “tejados verdes” utilizan vegetación viva en los tejados para reducir la acumulación de calor de las edificaciones. Por ejemplo, para junio del 2004, la ciudad de Chicago tenía más de 80 tejados gubernamentales y privados, incluyendo el primer tejado gubernamental verde del país -el jardín del tejado del City Hall (el ayuntamiento). Un tejado verde es mucho más frio que un tejado tradicional puesto que una fracción significativa de la energía absorbida es usada para evaporar agua en vez de calentar el techo y el aire encima de éste.

  • La creación de espacios verdes tales como parques puede ser usada para ayudar al enfriamiento de los vecindarios, y un “reverdecimiento” general de la ciudad puede llevar a una atmósfera urbana más fresca.5

www.actionbioscience.org/esp/ambiente/voogt.html

Propiedades termo físicas de los materiales

 “Termodinámica es el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos.”6 Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.

Frecuentemente, el lenguaje de las ciencias empíricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. Así, aunque el término “temperatura” parece evidente para el sentido común, su significado adolece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero de la termodinámica, que se explica a continuación, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura.

Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que “si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí”7. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura.

Si “uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno”8, es decir, llegará a tener la misma temperatura que éste.

Todas las relaciones termodinámicas importantes empleadas en ingeniería se derivan del primer y segundo principios de la termodinámica. “Resulta útil tratar los procesos termodinámicos basándose en ciclos: procesos que devuelven un sistema a su estado original después de una serie de fases, de manera que todas las variables termodinámicas relevantes vuelven a tomar sus valores originales.”9 En un ciclo completo, la energía interna de un sistema no puede cambiar, puesto que sólo depende de dichas variables. Por tanto, el calor total neto transferido al sistema debe ser igual al trabajo total neto realizado por el sistema.

6, 7, 8 , 9 Microsoft ® Encarta ® 2009. Termodinámica.

 

 

 

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