PRIMER CONGRESO PROFESIONAL DE LOS INGENIEROS DE MONTES Sesión 7ª: La enseñanza forestal, investigación y nuevas 1.

tecnologías en la profesión. Comunicación: Necesidad de la enseñanza de la ingeniería termodinámica en la ingeniería forestal. Autor: Francisco Marcos Marín. Inés Izquierdo Osado. Jesús Ruiz Castellano.

Dpto. de Ingeniería Forestal. ETSI de Montes. Cdad. Universitaria s.n. 28040. Madrid. [email protected]

RESUMEN Debido a la situación actual, en la que cada vez se precisa el uso en España de energías renovables, en especial de la biomasa, se estudia la importancia de la Ingeniería Termodinámica en los los estudios de Ingeniería Forestal. Se presenta un programa de la asignatura "Termotecnia y Termodinámica" o "Termodinámica e Ingeniería Termodinámica" para estudianetes de esta asignatura matriculados en una Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes. Palabras Clave: Termodinámica, ingeniería, forestal, educación. Keywords: Thermodynamics, ingineering, forestry, education.

INTRODUCCIÓN Los recursos forestales han sido y son empleados como fuente de energía. Los estudios de los biocombustibles, su obtención, transformación y uso son cada día más importantes (Camps y 1

Marcos, 2001). El uso de astillas para generar energía de alto valor (como la energía eléctrica) y las plantaciones agrícolas y forestales para obtener biocombustibles (tanto sólidos como líquidos) renovables que suplan al carbón mineral, petróleo y gas natural se hará cada día más importante. De hecho todos los escenarios energéticos contemplados a nivel mundial presuponen para el año 2100 una mayor importancia de la biomasa en el balance energético mundial (Escudero, 1998). En España el Plan de Fomento de las Energías Renovables de España (IDAE, 2000), también supone un importante aumento del uso de la biomasa hasta 2010. Además, los conceptos relacionados con la Ingeniería Termodinámica son necesarios en los planes de estudio de todas las Ingeniería, y más en concreto en la de Montes y Agrónomos. La motivación principal es que cualquier profesional ingeniero maneja energía en sus diferentes manifestaciones y para manjar la energía es preciso que tenga unos conocimientos de Ingeniería Termodinámica (Marcos, 1999) Además, en la ingeniería forestal se manejan máquinas térmicas. Estas máquinas térmicas pueden ser fijas o móviles; también se utilizan con frecuencia instalaciones de calor y secado. Entre las máquinas fijas podemos citar las máquinas empleadas para generar calor (hornos, calderas de vapor), para generar energía eléctrica en industrias agro-alimentarias, de la madera o de la fabricación de papel y cartón (turbinas de vapor y de gas). Se utilizan máquinas móviles en casi todos los trabajos de campo, que van equipadas con motores de combustión interna. Las indicaremos según sus usos: - En usos estrictamente forestales: 1) En repoblaciones forestales: bulldozer, angledozer y otras máquinas de preparación del suelo, los tractores tipo TTAE, ... 2) En aprovechamientos forestales: el skidder o tractor forestal, el autocargador, la desramadora, la procesadora forestal, los sistema de saca de madera por cable, la motosierra, las desbrozadoras manuales, ... 3) En incendios forestales: motosierras, bulldozer, angledozer, vehículos contra incendios 2

forestales, ..... - En usos de jardinería, instalación y mantenimiento de zonas verdes (urbanas, periurbanas y deportivas). En estos temas pueden trabajar y trabajan actualmente ingenieros de montes: cortacéspedes de eje horizontal y de eje vertical, cortasetos, aireadoras, abonadoras y abonadoras de precisión, sembradoras y sembradoras de precisión, ... En las industrias agroforestales destacan los procesos de generación y uso de vapor con abundantes dispositivos térmicos (intercambiadores de calor, condensadores, ...). Por tanto, se precisa que en los curricula de los futuros ingenieros de Montes aparezca la Termodinámica y Termotecnia como asignatura imprescindible; de lo contrario el futuro ingeniero quedará falto de unos conocimientos que le impedirán diseñar, gestionar y evaluar las instalaciones que emplean estos dispositivos térmicos. SITUACIÓN ACTUAL Actualmente sólo en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros (ETSI) de Montes de Madrid se estudia como asignatura la "Termodinámica y Termotecnia"; el resto de las Escuelas de Ingeniería Forestal españolas no disponen de esta asignatura. En el nuevo plan de estudios de la ETSI de Montes de Madrid aparece como troncal la asignatura de "Termotecnia y Motores". Sería interesante que en el resto de las Escuelas de Ingeniería Forestal españolas se enseñara esta asignatura, si no se hace los más perjudicados son los alumnos que allí se están formando. Las motivaciones que han conducido a que esto sea así (García Benedicto, Marcos y GarcíaCañete, 1999) han sido principalmente dos: 1.- Los nuevos planes de estudio reducen los estudios de Ingenieros de Montes a 5 años. Sólo en la Universidad Politécnica de Madrid se mantienen 6 años y se está revisando el plan de estudios. Se han reducido, principalmente, las asignaturas de corte más técnico. 2.- Los redactores de los nuevos planes de estudios se han sentido influenciados por que en el título de "Ingeniero de Montes" pese más lo de "Montes" que lo de "Ingeniero" haciendo prevalecer asignaturas de corte muy biológico frente a asignaturas de corte más tecnológico o 3

ingenieril. CONTENIDOS DE LA DOCENCIA Como señalan Vega y otros (1999) "al elaborar un proyecto docente surgen dos cuestiones de suma importancia para garantizar la consecución de los objetivos didácticos: qué contenidos debe recoger la asignatura y cómo se deben transmitir, es decir, cuál es el método docente a seguir". A nuestro entender los contenidos que debe incluir una asignatura de nombre "Termodinámica y Termotecnia", "Termodinámica e Ingeniería Termodinámica" o "Ingeniería Termodinámica" que se imparta en el tercer curso de una carrera de Ingenieros de Montes de 5 ó 6 años de duración son los expuestos a continuación. La propuesta de descriptores de esta asignatura, que debería ser troncal en los planes de estudio de las ETSI de Montes de España, contempla dos posibilidades: 1.- Que los alumnos hayan estudiado suficiente Termodinámica en Física. En tal caso lo que denominamos parte I de los descriptores propuestos se limitaría a un repaso de lo ya estudiado y sería una introducción de la asignatura. En este caso el nombre de la asignatura sería "Ingeniería Termodinámica". Los descriptores serían: PARTE

Descriptor

Introducción

Introducción y presentación de la asignatura Repaso de la Termodinámica Clásica

Transmisión de Calor

Conducción, convección y radiación

Termodinámica de Procesos Termodinámica de los Procesos Irreversibles Irreversibles (TPI) Ingeniería aplicada

Aplicación de la TPI a los ecosistemas forestales

Termodinámica Procesos de generación de calor en la IF a

la

Forestal (IF) Energética forestal

Ingeniería Procesos de intercambio de calor en la IF Energética aplicada a la IF Balances energéticos, modelos y planes energéticos en energética forestal Biocombustibles de origen forestal 4

2.- Que los alumnos no hayan estudiado suficiente Termodinámica en Física. En tal caso la asignatura que se propone con sus descriptores sería: PARTE

Descriptor

Introducción

Introducción

Termodinámica Clásica

Primer y Segundo Principio. Entropía, gases reales y vapor de agua

Transmisión de Calor

Conducción, convección y radiación

Termodinámica de Procesos Termodinámica de los Procesos Irreversibles Irreversibles (TPI)

Termodinámica Procesos de generación de calor en la IF

Ingeniería aplicada

Aplicación de la TPI a los ecosistemas naturales

a

la

Forestal (IF) Energética forestal

Ingeniería Procesos de intercambio de calor en la IF Energética aplicada a la IF Biocombustibles de origen forestal

A continuación pasaremos a exponer la justificación, los objetivos y los contenidos de cada una de las partes citadas anteriormente. La parte de Termodinámica Clásica se considera esencial y fundamental para poder entender y desarrollar correctamente el resto de la asignatura. Como es sabido la Termodinámica interviene en amplitud de dominios de la física , de la química, de la ingeniería, de la biología. Es esencial distinguir los conceptos de calor y temperatura; si estos conceptos no están claramente diferenciados la experiencia nos indica que posteriormente el alumno y el ingeniero tienen problemas para plantear los diagramas de flujo energéticos y, lo que es peor, para resolverlos correctamente, diseñar nuevos sistemas o corregir los fallos de los existentes. También son necesarios los conceptos de energía y entropía. Las leyes de la Termodinámica explican y justifican las principales evoluciones reversibles y reales. El conocimiento de los ciclos de los motores y máquinas térmicas, su representación en los diagramas (especialmente el diagrama p-V cuya integración es el trabajo y el T-S cuya integración es el calor) son necesarios. Muchas máquinas empleadas por los ingenieros que trabajan en el medio 5

natural disponen de motores térmicos, cuyos ciclos deben se bien conocidos. No nos referimos a la parte mecánica del motor, sino a la justificación termodinámica del mismo. Especialmente necesario es el concepto de entropía y de orden que se hace cada vez más importante en los estudios de los ecosistemas naturales. Desde la publicación, por parte de Schöeredinger de su ensayo "What is life?" se hace cada día más patente la importancia que tiene el concepto de entropía en el entendimiento de las relaciones biológicas (2). Conceptos tan debatidos actualmente como los de biodiversidad y sustentabilidad pueden y deben ser enfocados teniendo en cuenta los flujos de energía y la degradación de los ecosistemas. Siempre quedará una respuesta de difícil solución: ¿Cuáles son las tres variables termodinámicas, funciones de estado, que definen un ecosistema? Ni siquiera pretendamos buscar su relación (se nos hace muy difícil que un día se pueda encontrar pues podemos sospechar la respuesta no es única); simplemente responder cuáles son: La transmisión de calor, es igualmente necesaria pues el calor es una función de línea que se escapa y transmite sin a veces darnos cuenta. Conceptualmente esta parte es menos profunda y más fácil de entender que la anterior; pero la cantidad de problemas que pueden presentarse y su resolución puede hacer de ella una parte muy complicada, aunque tal complicación puede venir dada por problemas de geometría más que por la aplicación de las leyes termodinámicas. La conducción, la convección y la radiación de calor deben ser entendidas, así como las leyes que las regulan deben ser conocidas y aplicadas. No es tan importante el manejo de muchos libros como el manejo de un buen manual o "handbook" de Ingeniería Termodinámica. En esta parte el alumno debe habituarse a manejar tablas, ábacos y diagramas. Es importante que el alumno se aperciba de que en la vida real las fórmulas teóricas son sustituidas por fórmulas obtenidas en la experimentación y en el laboratorio pues las evoluciones reales no son reversibles ni los gases reales se comportan exactamente igual a los gases ideales. La Termodinámica de los procesos irreversibles ha adquirido especial interés desde la publicación de los estudios de Ilya Prigogine. Está muy relacionada con lo que hemos señalado referente a la aplicación del concepto de entropía a los ecosistemas naturales. Quizás uno de los 6

campos en los que encuentre mayor aplicación la termodinámica de procesos irreversibles sea la biología. A su vez, al tener que responder la Física y en concreto la Termodinámica a ciertas preguntas lanzadas desde el campo de la biología se ha creado la necesidad de adentrarse en las evoluciones reales, que son irreversibles. Los trabajos de Leopold sobre el concepto de paisaje y su relación con la entropía son una muestra. Y también resulta muy interesante el planteamiento de la teoría de la información, la aplicación de la entropía de Shanon y todas sus relaciones con complejidad. Quizás sea esta última línea, la de los estudios de complejidad asociados a los conceptos de entropía, una de las líneas de investigación más prometedoras, pero también más difíciles (3). Y todo parece indicar que no nos podemos apartar de los estudios de la Termodinámica de Procesos Irreversibles. Quizás la ultima parte es la que necesita ser menos justificada ya que la Ingeniería Termodinámica es la que explica los procesos de generación de calor e intercambio de calor tan empleados en todas las industrias agro-forestales. La bibliografía básica para cada uno de estas partes se presenta en la tabla siguiente: Bibliografía básica 0. Introducción - Aguilar Peris, J. 1986. Curso de Termodinámica. Alhambra. Madrid. Parte I. Termodinamica clásica - Aguilar Peris, J. 1986. Curso de Termodinámica. Alhambra. Madrid. - Carretero Carrero, García Andrés, Marcos Martín y Elvira Martín. 1998. Problemas de Termodinámica. ETSI Montes. Madrid. - Rock, P. 1989. Termodinámica Química. Vicent-Vives. Barcelona. - Carretero Carrero R. 1996. Ensayos de vapor. ETSI Montes. Madrid. Parte II. Transmisión de calor - Aguilar Peris, J. 1986. Curso de Termodinámica. Alhambra. Madrid. - Carretero Carrero, Marcos Martín y García Andrés. 1998. Problemas de transmisión de calor. ETSI Montes. Madrid. - Kreith, F. 1967. Principios de transferencia de calor. Mason. París. 1967. 7

Parte III. Termodinámica de los procesos irreversibles. Aplicaciones forestales. - Prigogine, I. 1962. Introduction to Thermodynamics irreversible process. Wiley. New York. - Marcos Martín, F. 1994. ¿Qué es la vida?. Rev. Crítica. 816:18-21. Madrid. - Marcos Martín, F. 1996. Esa inaccesible complejidad. Rev. Crítica. 837:16-19. Madrid. Parte IV. Ingeniería Termodinámica aplicada a la Ingeniería Forestal - Marcos Martín. F. 1997. Incineración de biomasa. Ed. FMA. Madrid. - Marcos Martín. F. 2001. Biocombustibles sólidos de origen forestal. AENOR. Madrid. - Camps Michelena M. y Marcos Martín. F. 2002. Los biocombustibles. Mundi-Prensa. Madrid. Módulo V. Biocombustibles forestales - IDAE. 1996. Manuales de energías renovables. Biomasa. IDAE. Madrid. - Marcos Martín. F. 2001. Biocombustibles sólidos de origen forestal. AENOR. Madrid. - Camps Michelena M. y Marcos Martín. F. 2002. Los biocombustibles. Mundi-Prensa. Madrid.

BIBLIOGRAFÍA. Aguilar Peris J. 1986. Curso de Termodinámica. Alhambra. Madrid. Camps Michelena M. y Marcos Martín. F. 2002. Los biocombustibles. Mundi-Prensa. Madrid. IDAE. 2000. Plan de Fomento de las Energías Renovables de España. IDAE. Madrid. García Benedicto L, Marcos Martín F. y García-Cañete J. 1999. La enseñanza de la Ingeniería Termodinámica en los estudios edio ambientales y de ingeniería agro-forestal. I Jorn. Nacionales de Ingeniería Termodinámica. Universidad de Extremadura. Badajoz. Marcos Martín F. et all. 2001. Programa y criterios de docencia en la enseñanza de la ingeniería 8

termodinámica en la ingeniería forestal. II Jorn. Nacionales de Ingeniería Termodinámica. Universidad de Rovira i Virgili. Tarragona. Marcos Martín F. y Sáiz de Omeñaca J.A. 1994. ¿Qué es la vida?. Rev. Crítica. Madrid. nº. 816:1821. Marcos Martín F. 1996. Esa inaccesible complejidad. Rev. Crítica. Madrid. 1996. nº. 837:16-19. Escudero Gutiérrez. 1998. Escenarios energéticos mundiales. Energía. 4, 33-46. Vega L.F., Font J. y Montané. 1999. Didáctica de la Ingeniería Química a través de proyectos integrados. I Jorn. Nacionales de Ingeniería Termodinámica. Universidad de Extremadura. Badajoz.

9