Todo empieza así: Dejamos
una muestra de agua pura (o lo más pura que podamos) en el congelador. Ésta
empieza a enfriarse más y más para
equilibrar su temperatura con la del electrodoméstico, que puede rondar
desde unos 269 K a unos 247 K. Tras un par de horas, recuperamos la botella y
vemos que no está congelada aún estar presumiblemente por debajo de los 273 K (0ºC). Entonces, pero, por
cualquier motivo perturbamos súbitamente la muestra y observamos, fascinados,
que sucede lo siguiente:
¿Que ha pasado? Bien, la
respuesta es simple, hemos superenfriado (subfusionado) el agua. La explicación sigue así:
En el gráfico estamos
viendo una representación de cómo se comportan la temperatura (eje vertical) i
la presión (eje horizontal) cuando hablamos del agua. En nuestra vida
cuotidiana solemos observar solo tres de las fases que se muestran: Los dos
enfriamientos y la solidificación. El superenfriamiento es, entonces, algo
raro. Y no es de extrañar, pues se trata de un estado metaestable (el cómo se
determina que es inestable ya se aparta del objetivo de éste post).
Como estado metaestable,
para poder ser observado requiere de ciertas condiciones, en nuestro caso la
estabilidad mecánica y la no presencia de impurezas que puedan desencadenar la
solidificación a su ardedor. Podemos observar fácilmente que si utilizamos agua
con una buena pureza (y mejor aún si es destilada) y la ponemos en un
congelador convencional, ambas condiciones se cumplen.
Para entender qué ocurre
debemos tener en cuenta antes un aspecto importante: la nucleación.
Por nucleación se
entiende el hecho de que se empiece a dar el cambio de estado (en nuestro caso
la solidificación) en una región muy pequeña del líquido. Así, se forman unos pequeños
núcleos de hielo alrededor de los que se irá solidificando.
Tenemos dos tipos de
nucleación: La homogénea y la heterogénea. La primera se refiere simplemente a
regiones pequeñas de una sustancia homogénea que espontáneamente empiezan a
cambiar de fase. La segunda se refiere al hecho de que pequeñas impurezas
actúen como núcleos de cambio de fase. Para el agua, la heterogénea sería la
que provocaría la congelación a 273 K (0ºC) y la homogénea sería la cota inferior de
temperatura a la que se podría llegar superenfriando sin que solidificase.
Ahora es fácil entender
por qué motivo queremos que el agua tenga un mínimo de impurezas. Si no aparece
la nucleación heterogénea nos encontraremos que podemos llegar, a presión
atmosférica, hasta ni más ni menos que a unos 231 K (-42ºC).
La pregunta ahora es:
¿por qué, al perturbar el sistema, se congela? Bien, definamos primero la
perturbación. En el video, observamos que se da un golpe a la botella, pero
también podríamos haber abierto el tapón y tirar dentro, por ejemplo, un trozo
de hielo.
Si nos centramos en ésta
última perturbación, se entiende rápidamente que estamos introduciendo
directamente un enorme núcleo que provocara la congelación en cadena de las
demás moléculas adyacentes a él. Obviamente, también estaremos interactuando
mecánicamente con el fluido.
¿Y en el caso del golpe?
Bien, hemos comentado que retrata de un estado metaestable. Los estados
metaestables tienen una característica especial (a la cual deben el nombre) y es
que al ser perturbados decaen automáticamente a un estado completamente
estable. En nuestro caso, el hielo.
Como ejemplo de
superenfriamiento y una forma divertida para aplicarlo, por ejemplo, podemos hacer
una pequeña broma a los colegas:
Pero no todos los
ejemplos son de éste tipo. El superenfriamiento lo encontramos en un tipo de
lluvia muy y muy peligrosa, la lluvia engelante:
Sus gotas son de agua
superenfriada, y cuando golpean el suelo se congelan instantáneamente. No es
difícil adivinar qué efecto puede tener si le sumamos una calzada y vehículos a
una buena velocidad.
Por el contrario, también
es posible supercalentar el agua. El proceso es análogo al de superenfriar y la
diferencia la encontramos en que, al perturbar el líquido, éste hierve de forma
violenta. Aunque es difícil de observar, puede perfectamente darse en un vaso
de agua que pongamos en el microondas a calentar. Si el recipiente no está muy
rallado (y por lo tanto no aloja bolsas de aire que hacen de puntos de
nucleación) y las perturbaciones del microondas no son muy grandes (hoy en día
los platos giratorios son suficientes en la mayoría de los casos para evitar
este efecto), podemos llegar a supercalentar el agua. Si luego lo perturbamos,
sea con una cuchara, café soluble o cualquier cosa, puede hervir de repente y
producirnos alguna lesión.
Una forma de evitar que
esto pase, es poniendo la cucharita en el vaso cuando lo metamos en el
microondas. Si bien una cuchara de metal haría este papel perfectamente (y se
puede meter en el microondas sin ningún riesgo, ya dedicaré alguna entrada al
tema), también se calentaría mucho. Lo mejor, en estos casos, es poner una
cuchara de madera o similar. Para terminar, os dejo con un video de un
supercalentamiento:
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada