¿Puede el agua permanecer líquida a una temperatura inferior
a los 0 ºC? ¿No debería ser hielo? ¿Y a más de 100 ºC? ¿No debería hervir?
Estos fenómenos del agua, que evitan que cambie de estado se
conocen como “superenfriamiento” y “sobrecalentamiento”.
Para introducir estos conceptos antes es necesario saber qué es la nucleación. La nucleación consiste en el cambio de estado del agua líquida a hielo o a vapor, partiendo de una pequeña superficie que se encuentre en otro estado y que actúa cómo núcleo.
Generalmente, el cambio de fase que se produce durante la nucleación, trae consigo un aumento de energía (energía libre de Gibbs positiva) que expresa el trabajo necesario para iniciar la formación de los primeros núcleos. Una vez superada esta barrera energética, se produce una liberación de energía procedente de la cristalización o evaporación de la totalidad del agua (energía libre e Gibbs negativa).
SUPERENFRIAMIENTO
Puede que en algún momento de tu vida hayas sacado una
botella de agua que llevaba horas en el congelador y…¡seguía líquida! Pero al
darle un golpe se congeló en cuestión de segundos.
La base científica de este fenómeno se encuentra en la
termodinámica. Durante el proceso de congelación, conforme disminuye la temperatura,
las moléculas van disminuyendo su energía cinética, lo que provoca que se unan
unas con otras, originando pequeños “cristalitos” que aumentan su tamaño al ir
agregándose moléculas de agua (nucleación). Este proceso se ve favorecido
por la presencia de impurezas e irregularidades en el recipiente.
Sin embargo, en nuestro caso, el uso de agua embotellada con
menos impurezas y un recipiente sin irregularidades no permite que se formen
estos cristales, y por tanto, el agua siga en estado líquido, pese a estar por debajo de los 0 ºC. Ahí es donde entra en juego el estímulo
externo (introducir una partícula en la botella, darle un golpe o agitarla) lo que proporcionaría la energía necesaria para formar grandes núcleos, congelándose así todo el agua del recipiente en muy poco tiempo. Este cambio energético provoca un rápido aumento de temperatura, alcanzando los 0 ºC, que se mantendrán hasta el final de la congelación.
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| Cubito de hielo actuando como punto de nucleación |
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| El golpe activa la nucleación |
SOBRECALENTAMIENTO
¿Nunca has sacado un vaso de agua del microondas y empezó a
hervir cuando le echaste la bolsita de infusión? Pues bien, has vivido el conocido como fenómeno de sobrecalentamiento.
El sobrecalentamiento del agua, podríamos decir que, se basa
en lo mismo que el superenfriamiento PERO con un cambio de fase distinto; el
paso de líquido a vapor.
Un vaso de agua recién sacado del microondas puede
permanecer en estado líquido, de tal manera que, al perturbar el medio, el agua
empiece a hervir.
Como en el caso anterior, cualquier superficie irregular o
agente externo que se introduzca posteriormente servirá como punto de
nucleación. Normalmente, existen burbujas de aire en el líquido y durante la
evaporación. El agua que las rodea pasa
a estado gaseoso haciendo que estas aumenten de volumen hasta salir del líquido,
es decir, las burbujas están actuando como punto de nucleación. Al superar una
temperatura de 100 grados este fenómeno ocurre en toda la superficie superior
del agua.
En el sobrecalentamiento es fundamental el uso del microondas,
ya que emite una radiación con una frecuencia que afecta a los enlaces H – O de
cada una de las moléculas de agua, aumentando su amplitud y su energía de vibración. Este
hecho provoca que el agua aumente su temperatura por encima de los 100 ºC, pero
al no comportarse como un conjunto permanece en estado líquido. Al meter
cualquier agente externo (azúcar, infusiones, una cuchara…) también estamos
introduciendo energía que favorece la formación de núcleos que sirven como punto de nucleación y provocan la ebullición violenta
del agua. Por eso sólo ocurre cuando el agua no contiene impurezas ni
burbujas, y el recipiente no tiene imperfecciones. La temperatura baja a 100 ºC cuando empieza a ebullir y se mantiene hasta que acaba el cambio de estado.
Video de Youtube donde se ve la reacción
Referencias
Sara Velasco Portero
Beatriz Hurtado Cebrián
En el sobrecalentamiento, ¿no debería ser el factor ambiental un agente opuesto a lo que es un factor de nucleación?. Es decir, para la congelación se necesita que las moléculas se unan para conformar el sólido, por ello se requiere de un agente que favorezca estas uniones en cadena. Para la ebullición se necesita que las moléculas rompan sus uniones en lugar de aglutinarse y cambien de estado, por tanto ¿porqué el desencadenante se considera un punto de nucleación en este caso?
ResponderEliminarBuenas, recientemente hemos modificado la entrada para aclarar el concepto de nucleación. Contestando a tu pregunta, la nucleación es el principio de un cambio de fase; puede ser de líquido a sólido (congelación del agua, en este caso), o de líquido a gas (ebullición del agua, para este otro). De esta forma, en los dos casos siempre existe un inicio donde se producen pequeñas superficies que comienzan a cambiar de estado; estos son los núcleos y, como ya he mencionado, pueden ser núcleos sólidos o gaseosos. Y el proceso energético que ocurre es lo que se conoce como nucleación.
ResponderEliminarEspero que te haya servido de ayuda. No dudes en poner tu comentario.
Un cordial saludo.