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Un fuego se mide por el oxígeno que consume
El metano libera 50,03 MJ por cada kilogramo quemado, y el azúcar, 14,10. Si se divide en cambio por el oxígeno que consume cada uno, proporcionan 12,54 y 13,24. Los laboratorios de incendios dependen de este segundo par: miden el calor de un sofá ardiendo a partir del oxígeno que falta en su humo, sin llegar a saber jamás de qué estaba hecho el sofá.
Un sofá en llamas libera calor a un ritmo que determina en gran medida si en la habitación en la que se encuentra se producirá un flashover, y nadie puede predecir esa tasa a partir del sofá. El método evidente multiplica dos cifras: cuánto calor libera un kilogramo del material y cuántos kilogramos arden cada segundo. Para la combinación de espuma, tela, madera y pegamento no se conoce el primer valor, y en un ensayo a escala real el segundo resulta difícil de medir. Babrauskas y Peacock titularon su revisión de 1992 sobre esta magnitud "Heat release rate: the single most important variable in fire hazard", y la forma en que se mide hoy en día ignora el sofá casi por completo.
El humo asciende hacia una campana de extracción y sale por un conducto. Los instrumentos del conducto miden el caudal y cuánto oxígeno falta en él, y la tasa de liberación de calor es ese oxígeno ausente multiplicado por una única constante: 13,1 MJ por cada kilogramo. La misma multiplicación se aplica tanto en un calorímetro de cono de laboratorio que ensaya un cuadrado de moqueta de diez centímetros como bajo una campana que recoge el humo de una habitación amueblada en llamas.
Por kilogramo de combustible, nada coincide
Con el agua saliendo como vapor, del modo en que abandona una llama, el metano libera 50,03 MJ por cada kilogramo quemado. El octano, en representación de la gasolina, proporciona 44,42; una grasa animal típica, 36,48; el etanol, 26,82; la glucosa, 14,10. Estos valores abarcan un factor de 3,55, y nadie podría deducir unos a partir de otros.
Si en su lugar se divide cada uno por el oxígeno que consume: el metano proporciona 12,54 MJ por kilogramo de oxígeno; el octano, 12,69; la grasa, 12,69; el etanol, 12,87; la glucosa, 13,24. William Thornton observó en 1917 que el calor por unidad de oxígeno apenas variaba en una amplia variedad de gases y líquidos orgánicos. En 1980, Clayton Huggett, en la National Bureau of Standards estadounidense, amplió la comparación a los combustibles que intervienen en los incendios y recomendó 13,1 MJ por kilogramo, ±5%, para todos ellos. De los dieciséis combustibles de Heat of Combustion, once caen dentro de esa franja.
Al arder, el oxígeno puede terminar en dos lugares
La página tiene dos filas que explican el resto. El carbono quemado para formar dióxido de carbono libera 393,51 kJ por cada mol de oxígeno, lo que equivale a 12,30 MJ por kilogramo. El hidrógeno quemado para formar vapor de agua produce dos moles de agua por cada mol de oxígeno y libera 483,65 kJ, o 15,12 MJ por kilogramo. Un combustible compuesto de carbono, hidrógeno y oxígeno que arde por completo no genera otros productos, y ambos valores distan solo un 23% entre sí.
El calor lo determina aquello en lo que se convierte el oxígeno, y en una llama limpia se convierte en dióxido de carbono o en agua.
Un hidrocarburo reparte su oxígeno entre ambos. El metano, CH₄, destina un mol de O₂ a su carbono y otro a sus cuatro hidrógenos, y la media exacta entre 12,30 y 15,12 es 13,71. La propia molécula retiene una pequeña parte. El metano es unos 74,5 kJ por mol más estable que el carbono y el hidrógeno a partir de los cuales se forma; esa energía se liberó cuando se formó la molécula y ya no puede volver a liberarse, lo que supone 1,16 MJ por kilogramo de oxígeno y reduce los 13,71 hasta los 12,54 medidos. El octano destina el 64% de su oxígeno al carbono, se combina en 13,31, descuenta una energía de formación que supone el 4,7% de esa mezcla y va a parar a 12,69.
Podría parecer que el azúcar debería romper esta regla, porque ya contiene oxígeno. Si se interpreta C₆H₁₂O₆ como seis carbonos y seis aguas, no es así. El hidrógeno llega ya quemado, de modo que lo que queda es carbono ardiendo, a 393,51 kJ por mol de oxígeno, más el 7,6% que la glucosa almacena por encima de una pila de carbón vegetal y vapor de agua: 423,50 kJ, o 13,24 MJ por kilogramo.
Así pues, la franja es estrecha por dos razones que nada tienen que ver entre sí. El carbono y el hidrógeno pagan por casualidad precios similares por el oxígeno, y en todos los hidrocarburos de la página, salvo en el acetileno, la energía de formación propia de la molécula es inferior a una décima parte de lo que liberan su carbono y su hidrógeno. Lo mismo ocurre con la de un azúcar, una vez que su oxígeno se contabiliza como agua. Ninguno de estos dos hechos requiere saber cómo se llama el combustible, razón por la cual un ensayo con muebles tampoco necesita saberlo.
Una cobaya en un cubo de hielo
La idea es anterior a la ciencia del fuego. En el invierno de 1782–83, Antoine Lavoisier y Pierre-Simon Laplace construyeron un calorímetro que medía el calor por el hielo que derretía, introdujeron en él una cobaya en dos ocasiones, escalaron cada tanda a diez horas y calcularon la media: unas 13 onzas de hielo. A partir de experimentos independientes con varias cobayas, estimaron su emisión de aire fijo —lo que hoy llamamos dióxido de carbono— en 224 granos durante esas mismas diez horas. La combustión de carbón vegetal había derretido 26,692 onzas de hielo por cada onza de aire fijo que producía, por lo que 224 granos de este deberían corresponder a 10,38 onzas. Descontaron unas 2,5 onzas de las 13 de la cobaya por el enfriamiento de sus extremidades y la humedad evaporada por su calor corporal, comprobaron que ambas cifras concordaban y escribieron, en una memoria leída ante la Académie des sciences el 18 de junio de 1783:
La respiration est donc une combustion, à la vérité fort lente, mais d’ailleurs parfaitement semblable à celle du charbon.
Lavoisier y Laplace, Mémoire sur la chaleur, 1783
"La respiración es, por tanto, una combustión, a decir verdad muy lenta, pero por lo demás perfectamente semejante a la del carbón". Su estimación para el carbón vegetal fue excelente: los valores modernos dan 26,81 onzas de hielo por onza de dióxido de carbono, a un 0,4% de la suya. El punto débil era el patrón de comparación. El carbón vegetal es carbono casi puro, mientras que un animal quema azúcar y grasa, y ambos liberan más calor por cada molécula de dióxido de carbono, por razones distintas. La grasa contiene mucho más hidrógeno del que su propio oxígeno puede compensar, y ese hidrógeno arde produciendo agua: al quemar grasa, casi el 30% del oxígeno termina en agua y no genera dióxido de carbono en absoluto. La memoria admite que la respiración podría alterar el aire de otras maneras además de transformarlo en aire fijo, y considera pequeño cualquier cambio de ese tipo. El azúcar no tiene hidrógeno sobrante, pero la molécula almacena más energía de la que tienen el carbón vegetal y el agua. Con el agua condensada, como ocurría en el hielo, la glucosa libera 467,50 kJ por cada mol de dióxido de carbono frente a los 393,51 del carbón vegetal y los 619,72 de la grasa. Escalados a partir de sus propios 10,38, los 224 granos de la cobaya predicen 12,33 onzas para el azúcar y 16,35 para la grasa. Las 13 onzas que pesaron, antes de restar nada, se sitúan entre ambos valores.
La respiración es un indicador de combustible
En un hospital se realiza el mismo cálculo con el oxígeno en lugar del dióxido de carbono, y con el oxígeno los combustibles vuelven casi a coincidir. Con el agua en estado líquido, tal como permanece en el cuerpo, la glucosa proporciona 20,86 kJ por cada litro de oxígeno y la grasa, 19,45. Un gramo de grasa contiene 2,51 veces la energía de un gramo de azúcar, y un litro de oxígeno extrae de ella un 6,8% menos. Un adulto en reposo que absorbe un cuarto de litro por minuto equivale a una fuente de calor de 86,9 W con azúcar puro y de 81,0 W con grasa pura, y cualquier mezcla de ambos se sitúa en un punto intermedio.
Ese 6,8% es el motivo por el cual un carro metabólico mide ambos gases. La combustión de glucosa devuelve una molécula de dióxido de carbono por cada molécula de oxígeno; la combustión de la grasa devuelve 0,70. La proporción entre ambos gases revela qué combustible se está quemando y, por tanto, en qué punto entre 81,0 y 86,9 se sitúa el resultado.
Dónde falla la regla
Un combustible que llega conteniendo mucha energía propia escapa de la franja. La entalpía de formación del acetileno es de +227,4 kJ por mol, energía invertida cuando se formó la molécula y devuelta cuando arde, que se suma a lo que suministra el oxígeno. Añade un 22% a lo que proporcionarían el carbono y el hidrógeno del acetileno, y lo eleva a 15,70 MJ por kilogramo de oxígeno, un 19,88% por encima de 13,1. Sin ella, el acetileno se situaría en 12,86, dentro de la franja junto al metano y al octano.
El monóxido de carbono es el caso más extraño, y reviste mayor importancia en un incendio. La combustión completa del carbono hasta formar CO₂ se produce en dos pasos, y su rendimiento es muy dispar. De carbono a monóxido de carbono se consume medio mol de oxígeno y se liberan 110,53 kJ: 6,91 MJ por kilogramo de oxígeno. De monóxido de carbono a dióxido de carbono se consume la otra mitad y se liberan 282,98 kJ: 17,69. La media de las dos mitades corresponde a los 12,30 del carbono. Un fuego con poco aire detiene parte de su carbono en el primer paso, por lo que el oxígeno que se destinó a formar monóxido de carbono produjo apenas la mitad del calor que asume el valor de 13,1.
La distorsión en la medición es menor de lo que esto sugiere, porque el oxígeno que nunca llegó a consumirse tampoco llega a contabilizarse. Un fuego de metano que deja una quinta parte de su carbono en forma de monóxido de carbono libera 12,27 MJ por kilogramo del oxígeno que sí consumió: un 2,2% por debajo de la llama limpia. Los laboratorios miden el monóxido de carbono en el conducto y corrigen el resultado. Un fuego con mucho humo desprende menos calor y absorbe menos oxígeno, y lo segundo casi compensa lo primero.