Botijos y ollas exprés: Ciencia de la vida cotidiana

Joaquín Sevilla

Universidad Pública de Navarra

Ciencia de la vida cotidiana

• Es fácil apreciar la capacidad de la ciencia en la alta tecnología: microchips, robots, biotecnología, etc.

• Pero en lo más cotidiano también podemos encontrar maravillas científicas

• En lo que sigue vamos a ver algunos ejemplos …

¿Por qué un botijo refrigera el agua? ¿Por qué las cantimploras van “abrigadas”?

• Sabemos que los botijos no solo mantienen el agua fresca, sino que la refrigeran

• También hemos visto muchas veces cantimploras de aluminio recubiertas de fieltro ¿verdad?

El agua al evaporarse enfría

Estos recipientes de agua fresca se basan en el hecho físico de que el agua al evaporarse roba calor de su entorno.

¿Qué es exactamente “evaporarse”? ¿es lo mismo que “hervir”?

Está claro que no es lo mismo

• Ebullición: es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión.

• Evaporación: es el proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial

Definiciones de la wikipedia

Evaporación y ebullición

• La ebullición ocurre en todo el líquido, y depende de la temperatura

• La evaporación es un proceso que se da en la superficie, y que no depende (casi) de la temperatura

Los calcetines cuando se secan no hierven, van cediendo el agua poco a poco al aire que les rodea

La evaporación enfría

• Cuando una molécula consigue energía suficiente como para liberarse de la superficie pasa a difundirse por el aire … y ¡se lleva esa energía con ella!

Esa energía que se marcha en el paso a gas se llama calor latente de vaporización

¿Cuánto enfría?

• Se calcula a partir del valor cuantitativo del calor latente de vaporización, que depende (ligeramente) de la temperatura:

• a 0ºC 2.50 · 106 J/kg 595 cal/g • a 100ºC 2.26 · 106 J/kg 540 cal/g • a 20ºC 2.45 · 106 J/kg 585 cal/g

La evaporación y su calor

El charco se .. evapora:

van pasando ..moléculas a fase gas

Al hacerlo se lleva el calor latente:

580 calorías por cada gramo

La evaporación y el tiempo (*)

(*) Los físicos dirían la evaporación y su dinámica

¿A qué velocidad se produce la evaporación?

¿De qué depende?

Esta es de las cuestiones más complejas, depende de muchas cosas:

- de la cantidad de superficie de contacto (agua- aire)

- de lo seco que esté el aire

- de la renovación del aire

- de la temperatura

Pequeño experimento: chupar ligeramente el dorso de la mano y soplar

Resumen (antes de volver al botijo)

• El paso de líquido a vapor se produce por dos mecanismos muy distintos:– Ebullición– Evaporación

• Cuando el agua se evapora roba calorías de su entorno (concretamente el calor latente de vaporización)

• La evaporación es más efectiva en aire seco, renovado y aumenta con la superficie de contacto

¿Por qué un botijo refrigera el agua?

• Sabemos que los botijos no solo mantienen el agua fresca, sino que la refrigeran

Los botijos sudan, y el agua en la pared exterior se evapora y roba calor, parte de él del propio agua

Solo funcionan los botijos que sudan: porosos, no barnizados

Otra cosa es calcular ese efecto con precisión

• Ver: http://www.enchufa2.es/archives/la-ecuacion-del-botijo.html y http://www.meteored.com/ram/1797/la-cermica-del-agua-y-su-relacin-con-la-aridez/

Pero esto no nos interesa a nosotros. La idea general es lo verdaderamente interesante …

¿Por qué las cantimploras van “abrigadas”?

• Hemos visto muchas veces cantimploras de aluminio recubiertas de fieltro

• Al ser de aluminio no pueden sudar, pero el fieltro se moja y al irse secando va refrigerando (robando el calor de vaporización).

• El fieltro (muchas fibras entrelazadas) absorbe mucha agua y ofrece una gran superficie efectiva para la evaporación.

Calor latente y biología

• El “invento” del botijo es muy anterior al conocimiento de la termodinámica (el calor latente y todo eso)

• Antes aún lo “inventó” la evolución. El sudor es un mecanismo (muy eficiente) de pérdida de calor de los animales de sangre caliente. Un logro evolutivo que permite independizarse de la temperatura exterior.

Calor latente y tecnología

• Además del conocimiento popular (botijos y cantimploras) y de los animales, el conocimiento científico del calor latente nos permite diseñar aparatos sofisticados:

Nevera Aire acondicionado Bomba de calor

Torres de refrigeración

Esquema general

Esquema de la refrigeración por compresión:

1. Transferencia de calor al exterior,

2. Válvula de expansión,

3. Absorción de calor desde el interior,

4. Compresión del gas

1

2

3

La idea es simple pero genial: hacer que el refrigerante se comprima fuera del recipiente, con lo que se calienta, pero que se expanda dentro del recipiente, con lo que se enfría, y moverlo entre uno y otro estado. De ese modo, puede hacerse que el exterior esté cada vez más caliente y el interior cada vez más frío

El “sudor”, el refrigerante, se encierra en un circuito

Aire acondicionado

Recapitulando

• El paso de líquido a vapor se produce por dos mecanismos muy distintos:– Ebullición– Evaporación (que roba calor del entorno al producirse)

• La evaporación (del sudor) refrigera a los animales de sangre caliente

• La evaporación es la base del funcionamiento de botijos y cantimploras, de construcción tradicional.

• Versiones sofisticadas en las que la evaporación ocurre en un circuito dan lugar a productos tecnológicos: neveras, aire acondicionado, …

Una pregunta más…

• ¿Porqué en la olla se cocina más rápido?

De hecho los tiempos se reducen entre 3 y 5 veces, dependiendo de la olla y del alimento.

¿Por qué una olla acelera la cocción?

• La cocción es la trasformación química de los alimentos producida al mantenerlos a temperaturas altas.

Aire caliente en el horno (Asado)

Aceite hirviendo (Frito)

Agua hirviendo (Cocido)

200ºC175ºC

100ºC

Temperaturas típicas de un rango de variación grande

Ebullición y evaporación

• Ebullición: es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión.

• Evaporación: es el proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente para vencer la tensión superficial

Definiciones de la wikipedia

¿Cuánto se tarda en cocer?

• Depende de la temperatura, a mayor temperatura más rápido ocurren las reacciones químicas y antes se cuece

• La temperatura de ebullición depende de la PRESIÓN

• Por eso cocer un huevo en alta montaña es muy lento o incluso imposible

Mayor presión, mayor temperatura, menor tiempo

• Las ollas son recipientes presurizados

Típicamente a 2 atmósferas (absolutas), lo que equivale a una temperatura de ebullición del orden de 120ºC

El diagrama de fases del agua

Por cierto, este año cumple 90

Resumiendo

Cambio de fase líquido- gas

Evaporación

Ebullición

Fenómeno de superficie, que depende de•superficie de contacto (agua- aire) •lo seco que esté el aire•la renovación del aire•la temperatura

QUE ROBA CALOR

Fenómeno de volumen, que •Ocurre a una temperatura que depende de la presión

En conclusión

• Los detalles científicos de muchos aspectos de la vida cotidiana son muy interesantes…

• En cuanto a complejidad, la ciencia de la vida cotidiana no tiene nada que envidiar a la tecnología punta

• Hay muchos ejemplos más:– Mermeladas y agua desalada– Sensación térmica (el viento y la humedad)– Café de bar frente a café de melita– ……………

Botijos y ollas exprés: Ciencia de la vida cotidiana

Joaquín Sevilla

Universidad Pública de Navarra

¡GRACIAS!

Enlaces

• http://www.ehu.es/biomoleculas/cibert.htm (animación de la superficie de un líquido)

• http://www.calderasvapor.com/factores_conversion.htm (datos de calor latente)

• http://www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/ir_zoo/coldwarm.html (sangre fría y sangre caliente)

• http://eltamiz.com/2007/08/28/inventos-ingeniosos-la-nevera/ (sobre la nevera)

• http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia22/HTML/Articulo13.htm (La presión de la olla)

• http://eumafeag.blogspot.com/2009/03/la-olla-expres-cumple-90-anos.html (La historia de la olla)