Repetibilidad del Experimento del Profesor Robert W. Wood sobre la Teoría del Efecto de Invernadero en 1909.

Por Biól. Nasif Nahle Sabag

Profesor Universitario, Científico, Director de Investigaciones Científicas en Biology Cabinet©
Monterrey, N. L., México.


Referencia: Nahle, Nasif S. Repetibilidad del Experimento del Profesor Robert W. Wood sobre la Teoría del Efecto de Invernadero en 1909. 12 de Julio de 2011. Biology Cabinet en Línea, Recursos Académicos. Monterrey, N. L.


*El autor agradece al equipo de Principia Scientific International por su gentil asistencia; cualquier error en el texto es exclusivamente mío.
Resumen:

A través de este experimento controlado, demuestro que el efecto de calentamiento en un invernadero real no se debe a radiación infrarroja de onda larga atrapada dentro del edificio, sino al bloqueo de la transferencia de calor por convección con el ambiente, tal y como fue probado por el profesor Wood en su experimento en 1909.
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INTRODUCCIÓN:

En 1909, el profesor Wood realizó un experimento que consistió en someter a prueba el efecto de la radiación de la radiación infrarroja de onda larga atrapada dentro de un invernadero con respecto a la elevada temperatura en el interior de un invernadero durante la insolación.

Su experimento fue descrito en un artículo que él publicó en el diario Philosophical Magazine, en 1909. (Vea la referencia [1]).

A partir de su experimento, el profesor Wood encontró que el incremento de la temperatura dentro de un invernadero no se debía a radiación atrapada, sino al bloqueo de la transferencia de calor por convección entre el invernadero y la atmósfera exterior.

Debido a que no existen otros documentos de otros científicos que hayan tratado de repetir el experimento del profesor Wood, excepto por el experimento del profesor Pratt [8], quien contradice los resultados del experimento del profesor Wood, una investigación científica por un tercer árbitro no solamente es recomendable, sino necesaria. Esta es la razón por la cual yo decidí repetir el experimento del profesor Pratt, ya sea para falsear o para verificar sus resultados y confrontarlos con los del profesor Wood.

Las siguientes líneas describen los experimentos realizados por mí y los resultados obtenidos.


PRIMER EXPERIMENTO


EQUIPO

2 Termómetros Digitales de Hanna Instruments®, Modelo HI98501. Rango de Temperaturas: de -50 a 150 °C. Precisión de ±0.3 °C (interna) y ±0.5 °C (externa). Desviación EMC ±0.3 °C. [2]

3 Termómetros Digitales CEM®, Modelo DT-131. Rango de Temperaturas: -40 to 250.  Precisión de 0.03 °C. Desviación EMC 0.1 °C. [4]

1 Fotómetro Sekonic®.

Cámara Profesional Praktica® MTL-5B. Lentes Multicapas de 35 mm, F-1.8.

Cámara Digital Sony® α 55V. Equipo de Lentes Zoom Multicapas (ML) DT 18-55 mm; F 3.5-5.6 SAM.



MATERIALES

4 cajas de cartón corrugado marca Lowe’s®, con medidas de 30 x 30 x 20.32 cm, con una conductividad térmica de 0.5 W/m K. [13]

1 placa de acrílico modificado para impacto marca Plaskolite®-Duraplex®, grosor de 3 mm. Índice de transmisividad de radiación solar infrarroja de onda corta de 0.97 (0.94 en promedio) e índice de transmisividad de onda larga infrarroja de 0.12 (0.1 en promedio). Coeficiente de Conductividad Térmica de 0.18 W/m K. [4, 9]

1 panel de vidrio ordinario, grosor de 3 mm. Índice de transmisividad de radiación solar infrarroja de onda corta 0.97 e índice de transmisividad de onda larga infrarroja de 0.1. Coeficiente de Conductividad Térmica de 1.2 W/m K. [4]

Película de Polietileno de baja densidad cristalino, grosor de 0.3 mm. Índice de transmisividad de radiación solar infrarroja de onda corta de 0.98 e índice de transmisividad de onda larga infrarroja de 0.87. Coeficiente de Conductividad Térmica de 0.42 W/m K to 0.51 W/m K. [4, 10, 11, 12]

Película de Acetato de Celulosa, grosor de 0.115 mm. Índice de transmisividad de radiación solar infrarroja de onda corta de 0.89 (máximo del 89.93%, sin recubrimiento) e índice de transmisividad de onda larga infrarroja de 0.85 (máximo del 87.1%, sin recubrimiento). Coeficiente de Conductividad Térmica de 0.167 W/m K. [14]

1 tubo de sellador de latex acrílico blanco para uniones. Reflectividad de 0.94. [4]

1 tubo de silicón Qualtex®; silicón multiusos transparente, tipo TUGT-08347. [4]

Papel de aluminio marca Reynolds’ Wrap®. Reflectividad del 98.4%. Coeficiente de Conductividad Térmica de 235 W/m K. [5, 6, 7]

Lana de Vidrio Blanca. Coeficiente de Conductividad Térmica de 0.04 W/m K. [5, 6, 7]

Placas de Corcho marca Quartet®. Coeficiente de Conductividad Térmica de 0.07 W/m K. [7]

Cinta Adhesiva tipo Masking Tape con absorbencia similar al del cartón corrugado (0.9).

Cinta Adhesiva de Aluminio. Reflectividad del 98.4%. Coeficiente de Conductividad Térmica de 235 W/m K. [4, 5, 6, 7]

Pintura Berel® negro mate. Índice de reflectividad de 0.05. [4]

Rollos para fotografía marca Fuji® (ISO 400, ISO 200, e ISO 100).

HERRAMIENTAS

Segueta, serrucho de carpintero, tirantes de Madera, martillo, 2 exactos para cortar acrílico, escariador, 4 brocas, 250 g de clavos, 20 tornillos, destornillador Black & Decker® y estuche de herramientas Black & Decker®.


PROCEDIMIENTO PARA LA PRIMERA ETAPA DEL EXPERIMENTO

Construí cuatro cajas idénticas de cartón corrugado marca Lowe's®.

Sellé las uniones de las paredes de las cajas con sellador acrílico blanco (Imagen 01)

Pinté las paredes interiores de las cajas con pintura Berel® negro mate, con una reflectividad de 0.3 y una absorbencia de ~0.97 (Imagen 02). Confirmé la reflectividad de las paredes interiores de las cajas con un fotómetro Sekonic®.

Para comprobar el sellado alrededor de los bordes, coloqué una directamente bajo los rayos del sol y observé que el aire se expandiera para hacer que la cubierta de polietileno se combara (Imagen 03)

Recubrí las cinco superficies exteriores de las cajas con papel aluminio Reynolds’ Wrap®. (Imagen 04)

Adherí un cuadro de papel de aluminio Reynolds’ Wrap® en el centro de los paneles de acrílico y de vidrio y en el centro de la película de polietileno que cubrían los lados abiertos de las cuatro cajas para evitar que la radiación solar incidiera directamente sobre los vástagos metálicos de los termómetros para que el sobrecalentamiento de los vástagos no dieran falsas lecturas. (Imagen 05)

Coloqué una lámina de acrílico transparente Duraplex® por Plaskolite®, con una ventanilla recortada de 5 cm x 5 cm en el ángulo superior derecho de la misma (Imagen 06), para tapar el lado abierto de la caja de cartón con etiqueta No. 1, la cual fue luego sellada con silicón adhesivo transparente sobre los bordes libres de las paredes de las cajas de cartón corrugado.

Coloqué una placa de vidrio ordinario para cubrir el lado abierto de la caja con etiqueta No. 2, la cual fue luego sellada con silicón adhesivo transparente sobre los bordes libres de las paredes de la caja de cartón corrugado.

Coloqué una placa intacta de acrílico transparente, marca Duraplex® por Plaskolite®, para cubrir el lado abierto de la caja con etiqueta No. 3, la cual fue luego sellada con silicón adhesivo transparente sobre los bordes libres de las paredes de la caja de cartón corrugado.

Coloqué dos hojas de película de polietileno cristalino para cubrir el lado abierto de la caja con etiqueta No. 4 (caja proximal en la Imagen 07), la cual fue luego sellada con silicón adhesivo transparente sobre los bordes libres de las paredes de la caja de cartón corrugado. Se usaron dos hojas de polietileno para reducir la pérdida de calor por conducción).

Coloqué las cuatro cajas bajo la luz solar directa, a las 19 horas TUC (Tiempo Universal Coordinado) (13:00 horas Tiempo Central Estándar o TCE) para someter a prueba la fiabilidad del experimento. El primer segmento del experimento fue realizado unos pocos días más tarde a las 10:40 horas (TCE), según se detalla más adelante en este artículo.

Las cuatro cajas fueron colocadas sobre una mesa blanca de polietileno de alta densidad en un ángulo de inclinación de 23° 15’, para que la radiación solar incidiera perpendicularmente a la tapa trasera de las cajas, evitando así la proyección de sombras desde las paredes de las cajas.

Antes de ser expuestas a los rayos solares, las cuatro cajas fueron cubiertas con una manta de Aluminio Plástico con una reflectividad del 97% . (Imagen 08)

La primera fase del experimento se realizó el 20 de mayo de 2011.

Inicié el experimento a  las 10:00 hr (CST).

Terminé el experimento a las 11:00 hr (CST).

Las coordenadas de la localidad en donde el experimento se llevó a cabo son las siguientes:

Latitud: 25º 48´ North

Longitud: 100º 19' West

Altura: 513 metros sobre el nivel del mar.

RESULTADOS

Las mediciones instantáneas registradas durante la primera fase del experimento, usando película de polietileno para cubrir la caja recubierta con lana de vidrio blanca fueron las siguientes:


He trazado los resultados en la siguiente gráfica:

OBSERVACIONES

1. Las temperaturas iniciales en las cajas a la sombra fueron más altas que la temperatura ambiental. La causa fue que las cajas habían sido colocadas sobre el piso y el bloqueo de la transferencia de calor por convección, excepto en la caja con la tapa de acrílico agujerado y la de la caja tapada con película de polietileno. La temperatura fue menor en la caja cubierta con la placa de acrílico agujerado porque esta permitió el flujo libre de corrientes de aire desde el interior de la caja hacia el ambiente circundante. La temperatura de la caja cubierta con una película de polietileno fue igual que la temperatura ambiente porque este material permite el libre flujo de radiación de onda larga hacia el exterior de la caja.

a) Después de 1 minuto de exposición directa a la insolación (no graficado), la temperatura en todas las cajas se incrementó aproximadamente por dos grados en cada caja.

b) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con una tapa agujerada de acrílico permaneció siendo más baja que la temperatura dentro de las cajas restantes.

c) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con la placa agujerada de acrílico era la misma que la temperatura dentro de la caja cubierta con vidrio ordinario.

d) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con una película de polietileno era más baja que la temperatura dentro de la caja cubierta con la placa de acrílico completa.

2. Después de 5 minutos de exposición directa a la insolación, la temperatura en todas las cajas se incrementó en alrededor de 20 grados Celsius.

a) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta por la placa de acrílico agujerada era más baja que la temperatura dentro de las cajas restantes.

b) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con película de polietileno era más alta que la temperatura dentro de las cajas cubiertas con vidrio ordinario y con la lámina de acrílico agujerada.

c) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con la placa de acrílico agujerada era más baja que la temperatura en las cajas restantes.

d) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con vidrio era casi la misma que la temperatura dentro de la caja cubierta con la película de polietileno.

3. Después de 10 minutos de insolación, la temperatura continuó incrementándose dentro de las cuatro cajas.

a) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con vidrio ordinario era más baja que la temperatura dentro de la caja cubierta con película de polietileno.

b) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con la lámina de acrílico agujerada era más baja que la temperatura dentro de las cajas restantes debido al libre flujo de aire entre el interior de la caja y el ambiente circundante.

c) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con la lámina de acrílico completa era más alta que la temperatura en las cajas restantes.

4. Después de 15 minutos de exposición directa a los rayos solares, la temperatura dentro de las cuatro cajas continuó incrementándose.

a) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con vidrio ordinario era casi igual que la temperatura en la caja cubierta con la película de polietileno. Este comportamiento de homologación continuó hasta los 60 minutos, cuando esta fase experimental se dio por terminada.

b) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con la lámina de acrílico agujerada continuaba siendo más baja que la temperatura dentro de las cajas restantes.

c) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con la lámina de acrílico completa continuaba siendo más alta que la temperatura dentro de las cajas restantes.

5. Después de 40 minutos de observación, la temperatura dentro de las cuatro cajas continuó incrementándose.

a) Observé que la tendencia hacia el incremento de temperatura dentro de las cuatro cajas continuó dentro de un perfil cuasi-estable.

b) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con una lámina de vidrio era ligeramente más alta que la temperatura dentro de la caja cubierta con película de polietileno. Esta tendencia se mantuvo hasta los 60 minutos de insolación.

c) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con la lámina de acrílico completa continuó siendo más alta que la de las cajas restantes.

d) Observé que la temperatura dentro de la caja cubierta con una lámina de acrílico agujerada era más baja que la temperatura en las cajas cubiertas con vidrio, lámina de acrílico completa y película de polietileno.

6. Después de 1 hora de exposición directa a la radiación solar, retiré la hoja de polietileno de la caja etiquetada como “película de polietileno”, esperé durante 10 minutos para registrar la temperatura dentro de dicha caja. Encontré que la temperatura había declinado dramáticamente, desde 70.1 °C hasta 45.4 °C, debido a que permití la libre transferencia natural de calor por convección con la atmósfera circundante.

CONCLUSIONES:

La primera fase del experimento confirma los resultados del experimento del profesor Wood, quien concluyó que el efecto de invernadero, dentro de un invernadero real, no se debía a la retención de radiación infrarroja de onda larga “atrapada” por las ventanas de vidrio de las paredes del invernadero, sino al bloqueo de la convección, es decir, al bloqueo del flujo de corrientes de aire entre el interior del invernadero y la atmósfera exterior.

Por ejemplo, después de una hora de exposición a la radiación del Sol, la temperatura de la caja cubierta con la lámina de acrílico agujerada debería haber sido de 59.6 °C, de acuerdo con la supuesta radiación de onda larga que pudiera haber escapado por el agujero (2.5%); sin embargo, la temperatura fue de 57.9 °C, la cual es 5.2% más baja que la temperatura esperada si el efecto de calentamiento dentro de la caja se hubiera debido al bloqueo de la radiación de onda larga.

El último paso de la primera etapa del experimento -que consistió en abrir la caja cubierta con la película de polietileno, etiquetada en la tabla como "Caja Abierta", reveló que el aumento de la temperatura dentro de las cajas se debió a la obstrucción de la transferencia de calor por convección entre el espacio interior de la caja y el medio ambiente.

Una vez que la caja cubierta con película de polietileno se destapó, la temperatura comenzó a igualarse con la temperatura del aire. La temperatura de 45.4 ° C fue registrada 30 segundos después de que la caja fuese descubierta y así se mantuvo durante 10 minutos.


POR FAVOR, LEA EL PDF PARA UNA VERSIÓN COMPLETA DEL EXPERIMENTO.



REFERENCIAS:

1. http://www.tech-know.eu/uploads/Note_on_the_Theory_of_the_Greenhouse.pdf

2. http://boole.stanford.edu/WoodExpt/

3. http://www.hannainst.com/manuals/manHI_98501_02_05_06.pdf

4. http://cemszmkpl.en.makepolo.com/productshow/4569429.html

5. Manufacturers' specifications.

6. Pitts, Donald and Sissom, Leighton. Heat Transfer. 1998. McGraw-Hill

7. Modest, Michael F. Radiative Heat Transfer-Second Edition. 2003. Elsevier Science, USA and Academic Press, UK.

8. http://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-d_429.html

9. http://www.atoglas.com/literature/pdf/81.pdf

10. http://people.csail.mit.edu/jaffer/FreeSnell/polyethylene.html

11. http://www.fao.org/docrep/T0455E/T0455E0o.html

12. http://web.archive.org/web/20061213003555/http://chem.arizona.edu/courses/chem245/polyeth.html

13. http://www.koverholt.com/pubs/Overholt_CSSCIpaper_2009.pdf

14. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Polycarbonate_IR_transmission.png


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NOTA IMPORTANTE: ESTE ARTÍCULO ES SOLAMENTE UNA INTRODUCCIÓN AL EXPERIMENTO COMPLETO. POR FAVOR, LEA EL PDF DEL ARTÍCULO COMPLETO (EN INGLÉS).