El gas se puede ahorrar de varias maneras al cocinar; son cada vez menos las estufas de gas que utilizan "piloto"; se estima que cerca de 10% del gas para cocinar se ahorra apagando esa pequeña flama. Pero este gasto inútil subsiste en los calentadores de gas que calientan agua, a menos que se adquiera la costumbre de apagar el piloto o sustituir el calentador de gas por uno de encendido electrónico o uno solar.
La cocción que consume más gas es el agua hirviendo. Pero la preparación de frijoles "de la olla" es, sin duda, la que toma mayor tiempo y consumo de gas. Una opción de ahorro consiste en el empleo de una olla de presión. En este caso el ahorro se puede calcular aproximadamente, si se toma en cuenta que los frijoles se cuecen en olla abierta en un lapso de 2.5 a 3 horas, mientras que en una olla a presión el tiempo de cocinado es entre 30 y 40 minutos solamente.
Supóngase los valores inferiores de tiempo de cocción de 2.5 horas y 30 minutos para la olla abierta y la olla cerrada, respectivamente. El porcentaje del ahorro de gas se calcula como sigue.
Sea R la rapidez con que se quema el gas, es decir, 
. Su valor típico es de unos cuantos gramos de gas por minuto.
El gas quemado en 2.5 horas, a olla abierta, es:
El gas quemado en la olla a presión vale:
Así que el ahorro de gas es:
La cantidad exacta en g no se puede saber, a menos que se conozca la rapidez de quemado, R. Pero se puede calcular el porcentaje de ahorro:
(Hay que recordar que el porcentaje se calcula de la siguiente regla de tres:
De aquí se obtiene el porcentaje desconocido X.)
El ahorro es aún mayor porque la rapidez de quemado de una olla a otra difiere: es menor en la olla a presión que en la ordinaria, o sea, R2 < R1 . Como antes, el subíndice 1 se refiere a la olla abierta y el 2 a la cerrada.
Pero hay otras formas para ahorrar todavía más gas. Para esto, es necesario mostrar las interacciones energéticas por calor entre la flama de la estufa, la olla y el aire de la cocina. El calor q'evap es el que se logra reducir drásticamente en la olla a presión.
En la figura 13, q es la energía por calor suministrada a la olla. El calor q'' es la energía que se pierde hacia el aire circundante, mientras que q' se traduce en la energización efectiva del agua en la olla. En una estufa bien diseñada se minimiza q y se maximiza q'. Una medida cuantitativa del buen diseño de una estufa se obtiene del cociente de las dos cantidades anteriores, que se denomina eficiencia térmica y se denota por la letra e:
Expresada en forma porcentual, es:
Aunque varias de las características físicas del quemado son desconocidas, pero pueden medirse, se pueden ofrecer recomendaciones para el ahorro del gas en la cocción de alimentos por ebullición de agua:
1] Sustituir la olla abierta por una olla de presión. En este tipo de olla q'evap /s , o potencia de evaporación, es casi 0. De esta manera se puede observar que el ahorro de gas es grande.
2] Aumentar la eficiencia e de la estufa por ajuste de la rapidez de quemado, o por modificación de las características geométricas del quemador (cerrar más el quemado, a modo de disminuir el escape de energía lateral).
El calentamiento de agua para baño es responsable de hasta 80% del consumo de gas doméstico. El proceso de quemado del gas es parecido al de la ebullición del agua en la cocción de algunos alimentos, excepto porque el proceso ocurre en el calentador de gas y la cantidad de agua es mucho mayor. El calentamiento de agua para diversos usos es grande, pero el calentador solar puede sustituir ventajosamente al calentador de gas.
1] Características económicas del calentador solar: alto costo relativo de inversión (pero con tendencia a la baja, al aumentar el número de usuarios); nulo costo del "energético" empleado.
2] Características económicas del calentador de gas: bajo costo relativo de inversión; alto costo del "energético" empleado (con tendencia al alza, al disminuir las reservas).
Lo anterior quiere decir que, al cabo de cierto tiempo, el uso del calentador solar permite la recuperación de la inversión inicial. Esto se puede ver con el siguiente cálculo simplificado:
Supóngase una familia de cinco personas que gastan unos 6 000 pesos de gas al año, de los cuales 80% es para calentamiento de agua. El gasto anual por calentamiento de agua = ($6 000 / año) × (0.8) = $4 800 / año, es decir, el costo diario del calentamiento de agua por gas es de unos 13.5 pesos.
Las necesidades de calentamiento de agua de la familia se pueden satisfacer con un calentador solar de 200 litros, que cuesta 15 000 pesos. En 3.12 años [ = $15 000 / ($4 800/ año)], el dinero gastado en gas se iguala con el costo del calentador solar y su instalación, por lo que si la vida útil del calentador solar es de 15 años, como afirma el fabricante, el consumidor se ahorrará en pago de gas:
(11.88 años)($4 800/año) = $57 024.
A esta cantidad hay que agregar el ahorro del costo de inversión del calentador de gas, que puede ser de 1 000 pesos, dando un total para el ahorro de 58 024 pesos. Una cantidad digna de consideración (al momento de escribir esto, el salario mínimo es cercano a los 1 500 pesos mensuales). Hay que tomar también en cuenta que el precio del gas sube, simplemente por tratarse de un recurso no renovable, de manera que la ventaja económica del calentador solar es aún mayor.
Desde el punto de vista ambiental, el calentador solar no contribuye a la contaminación del aire, durante al menos quince años. Este ahorro de contaminación tampoco es despreciable, sobre todo si se toma en cuenta que la quema de gas en los hogares es la tercera fuente de contaminación atmosférica en las grandes ciudades, después del transporte y la industria. Para entender cualitativamente el funcionamiento de un calentador solar, es necesario presentar brevemente las distintas formas en que se procesa calor.
Como se mencionó en otro apartado, el intercambio energético entre los sistemas a distintas temperaturas se efectúa a través de la pared diatérmica, sin que se deforme apreciablemente ni haya transferencia de sustancia. Así, dos cuerpos que están a diferente temperatura pueden cambiar sus energías internas por calor de conducción, y si se conectan mediante una barra de cobre, ésta permanece inalterada durante el proceso.
Hay diferentes diseños de calentadores solares. El de la figura 14 (p. 435) permite tener agua caliente día y noche, a temperaturas superiores a los 70 °C y un poco menores en días nublados. El calentador solar funciona de la siguiente manera: el agua fría del tinaco desciende a una serie de tubos paralelos. Éstos consisten de dos cilindros concéntricos; el exterior es de vidrio y el interior de metal pintado de negro. Entre ambos cilindros hay vacío, para evitar la pérdida de energía por la diferencia de temperatura entre el tubo y el aire de la atmósfera. El tubo interior, pintado de negro, absorbe eficientemente la radiación solar directa y difusa y se calienta, transmitiendo energía por calor al agua contenida en su interior. El agua caliente, por ser menos densa, sube a un recipiente cilíndrico horizontal aislado térmicamente. Se construye así un ciclo de circulación de agua por convección, en el que agua fría baja del tinaco y el agua caliente sube al cilindro aislado, almacenándose ahí para su uso posterior.
"Calentar un cuarto" significa aumentar la temperatura del aire del cuarto en Δt = t- t0, siendo t una temperatura confortable, generalmente superior a 21 °C, y t0 la temperatura inicial 0 °C. Con estos valores,
La energía del quemador de gas que se debe transferir por calor al aire del cuarto está dada por:
donde CA es la capacidad térmica total de la masa mA de aire del cuarto, o del número total de moles nA. CA es el producto de la cantidad nA de moles en el aire por su capacidad térmica específica molar, c*A, CA = nA c*A. Si el volumen del aire no cambia, entonces c*A es la capacidad térmica molar del aire a volumen constante. Así que:
De esta forma, cuanto más grande es la cantidad de aire, mayor es Q y, por consiguiente, mayor es la cantidad de gas que habrá que quemar para subir la temperatura del aire de t0 a t. Para conocer la cantidad de gas mG quemada, hay que tomar en cuenta que el gas tiene un "calor de combustión por kilogramo" qG = 55 × 106 (Joules/kg). Esto quiere decir que quemar un kilogramo de gas genera una cantidad de energía por calor a la atmósfera de qG = 55 × 106 joules. Entonces:
Por conservación de energía:
o sea que:
De esta expresión se puede despejar mG:
Solamente faltaría conocer la cantidad de los mol de aire en el cuarto para saber la cantidad de gas que hay que quemar para subir su temperatura hasta 21 °C. Si el aire se comporta como gas ideal, y se considera un cuarto de 3 m de altura, 4 m de ancho y 4 m de largo, su volumen será de 48 000 litros. Puesto que un mol de gas ideal ocupa 22.4 litros a 0 °C, a la presión de 1 atmósfera, el número de mol es:
Entonces,
Esta cantidad de gas mG se necesita quemar inicialmente para elevar la temperatura del aire del cuarto de 0 °C a 21 °C; pero si el gas deja de quemarse la temperatura tenderá a bajar de nuevo. Supongamos, para propósitos de ilustración, que en una hora la temperatura t bajaría de nuevo a la temperatura to.
Esto es, que tendríamos que estar quemando una masa de gas mG cada hora, para vivir cómodamente en nuestra habitación. Si se usa el calentador 4 horas al día, entonces la masa total de gas MG quemada por día será:
En un mes: 30 × MG = 30 × 66.8 x10–3 kg = 2,004 × 10–3 kg = 2 kg. Si se calientan tres habitaciones de las mismas dimensiones que la anterior:
Gas quemado al mes = 6 kg.
Costo del gas quemado por mes = 6 kg × (costo del kilogramo de gas)
= 6 kg × 280 pesos/30 kg = 56 pesos.
Esta cantidad de gas y dinero se puede ahorrar al mes si se aíslan las paredes con lambrín y se utiliza ropa adecuada en el interior de la casa, en vez del calentador de gas.
La leña se utiliza como combustible sobre todo en las zonas rurales, en donde habitan cerca de 27.5 millones de personas en nuestro país (año 2000). Se estima que 89% de esa población emplea la leña como principal combustible para la cocción de alimentos, mientras que los usuarios de leña en zonas urbanas representan el 11 por ciento.
Su uso principal es para cocinar alimentos, calentamiento de agua y, en menor proporción, para iluminación. En algunas comunidades rurales la elaboración de tortillas es la tarea que requiere el mayor consumo de leña, con poco más de 42%, según un estudio realizado por la Facultad de Ciencias de la UNAM. El consumo per cápita es de 2 kg al día, y más de 80% de los hogares utiliza el tradicional fogón de tres piedras, es decir, a fuego abierto por los lados.
El quemado de leña a fuego abierto tiene inconvenientes: la eficiencia termodinámica es baja y ocasiona enfermedades respiratorias por la aspiración de los gases de la combustión. Varios estudios muestran que la contaminación dentro del hogar, debida al quemado de leña es incluso mayor que en las grandes ciudades; ocasiona mundialmente alrededor de 1.2 millones de muertes prematuras anuales, de niños menores de 5 años.
Una opción técnica alternativa al fogón de tres piedras son las estufas de lodo y arena (llamadas "lorenas", nombre compuesto por ambas palabras).
Al cerrar el compartimiento donde ocurre la combustión de la leña y poner el utensilio encima del fuego, evitando fugas laterales, se aumenta la cantidad de calor que energiza directamente el alimento.
La chimenea adicionada expulsa los gases residuales a la atmósfera, lo que evita daños a la salud y contribuye a un aumento en la eficiencia, al regular la entrada de aire en el proceso de combustión.
Las pruebas de campo efectuadas por un grupo de investigación de la Facultad de Ciencias de la UNAM muestran que, en promedio, se ahorra 40% de la leña, siendo posible, en algunos casos, ahorros de hasta 75%. En lugares desarbolados estos ahorros significan una liberación del tiempo de trabajo de recolección, así como una disminución de la desertificación.
En este apartado se analizan tres usos de la electricidad: iluminación, calefacción y calentamiento de agua para el aseo personal.
En la actualidad hay dos tipos de focos: los tradicionales y los "ahorradores", éstos últimos conocidos así porque con el mismo consumo de energía eléctrica generan más iluminación. Un foco ahorrador de 20 watts genera tanta iluminación como un foco tradicional de 100 watts. Aunque los focos ahorradores son más caros que los tradicionales, en corto tiempo el ahorro de electricidad compensa su costo.
Lo anterior quiere decir que, en una hora, el foco ahorrador disipa una energía de 20 W × 1 hora = 20 J/s × 3 600 s = 72 000 joules, mientras que el foco tradicional disipa en el mismo tiempo una energía 100/20 = 5 veces superior, o sea 360 000 joules. En los cálculos aritméticos anteriores se ha utilizado:
En los recibos de la luz el consumo de electricidad no viene expresado en joules, sino en kilowatt-hora, abreviada como kW h (recordar que k = 1 000). Ésta sería la energía que un aparato de una potencia de 1 000 watt disipa en una hora (o cualquier combinación del producto potencia y tiempo que equivalga a 1 000 watt × 3 600 s = 3.6 millones de joules; por ejemplo, 10 focos de 100 W de potencia cada uno, funcionando durante una hora), es decir:
o, alternativamente:
Entonces, el ahorro de electricidad mediante la sustitución de los focos tradicionales por los "ahorradores", en una casa donde se utilizan 6 focos, durante 4 horas al día, se calcula como sigue:
Energía eléctrica disipada = 6 focos × potencia de cada foco × 4 horas
= 24 × potencia de cada foco × hora.
Energía diaria disipada por 6 focos tradicionales = 24 × 100 W × h = 2.4 kWh.
Energía diaria disipada por 6 focos ahorradores = 24 × 20 W × h = 0.48 kWh.
Energía diaria ahorrada por 6 focos = 2.4 kWh – 0.48 kWh = 1.92 kWh.
Energía diaria ahorrada por cada foco = 0.32 kWh.
Pesos diarios ahorrados por cada foco = 0.51 pesos.
Dado que el costo del kWh, en la tarifa de alto consumo, es de 1.6 pesos (abril de 2006), el ahorro diario es de 3.1 pesos. En un bimestre, el ahorro total de electricidad para iluminación es de: 1.92 × 60 días = 115.2 kWh y el bimestral es de 184 pesos.
La diferencia de costo en el mercado entre un foco ahorrador y un foco tradicional de 100 W es de 30 pesos – 3 pesos = 27 pesos. O sea, en unos 53 días de operación (a razón de 4 horas por día) el ahorro por gasto de electricidad se iguala a la diferencia de costo. En este tiempo se recupera el costo del foco ahorrador.
En México son comunes los calentadores eléctricos de resistencia, los cuales convierten cada joule de electricidad en un joule de calor. Esto podría dar la impresión de que por ello son muy eficientes, pero se trata de una falsa impresión.
Por otro lado, las llamadas "bombas de calor", que son algo parecido a un refrigerador empotrado en la pared, por cada joule de electricidad gastado transfieren cinco joules de energía al cuarto; éstas bombean calor del aire exterior al aire interior de la habitación. Son, por ello, cinco veces más eficientes que los calentadores eléctricos comunes y corrientes.
Para calcular el ahorro al sustituir a los calentadores eléctricos por las bombas de calor, se considera que dos calentadores de 1 000 W de potencia cada uno se utilizan dos horas diariamente. La energía diaria disipada en el aire será:
Energía eléctrica consumida diariamente = 2 000 W × 2 h = 4 kWh.
Energía eléctrica consumida bimestralmente =60 × 4 kWh = 240 kWh.
Costo de 4 kWh = 1.6 pesos/kWh × 4 kWh = 6.4 pesos.
Costo al bimestre = 60 × 6.4 pesos = 384 pesos.
Dado que la bomba de calor produce cinco veces más calor que el calentador eléctrico, por cada kWh de energía eléctrica consumida, se tiene que:
Energía eléctrica consumida al día por una bomba de calor = 4 kWh/5 = 0.8 kWh.
Energía eléctrica consumida al bimestre = 60 × 0.8 kWh = 48 kWh.
Energía ahorrada al día = 3.2 kWh.
Energía ahorrada en un bimestre = 60 × 3.2 kWh = 192 kWh.
Ahorro diario = 3.2 kWh × 1.6 pesos/kWh = 5.12 pesos.
Ahorro bimestral = 5.12 pesos × 60 días = 307 pesos.
Si la única opción existente son los calentadores eléctricos convencionales, entonces el uso tanto de ropas adecuadas como de paredes recubiertas con materiales aislantes daría un ahorro bimestral de electricidad de 307 pesos.
Si se desconoce el gasto por calentamiento de agua con regaderas eléctricas, en el recibo de luz se puede calcular indirectamente, de manera aproximada, conociendo la cantidad de agua que se utiliza y el incremento de temperatura.
Si m es la masa diaria de agua que se calienta por persona, digamos de 15 °C a 40 °C (unos 40 litros); la energía empleada por calor será:
Q1 = mcp Δt = 40 (kg) 4182 (J)/(kg °C) 25 °C = 4 182 000 J = 1.17 kWh.
Para cinco personas:
Q5 = 5.85 kWh.
En el bimestre:
Qaseo bimestral = 60 × 5.85 kWh = 351 kWh.
Ahorro bimestral en pesos:
= 351 × 1.6 pesos/kWh = 562 pesos.
Los ahorros calculados anteriormente, tanto en gas como en leña y electricidad, son apenas una muestra de la importancia que el análisis termodinámico tiene en ellos.
