Qué sucede con el agua en una superficie caliente » Science ABC

Las gotas de agua parecen bailar alrededor de la superficie de una sartén caliente debido al ‘Efecto Leidenfrost’. Este efecto da como resultado la formación de un colchón de vapor entre el líquido y la superficie, que mantiene la gota inquietantemente elevada.

Cuando estás cocinando algo, ¿cómo sabes si la sartén está lo suficientemente caliente para comenzar? Un método infalible para verificar esto es rociar algunas gotas de agua en la sartén. Si las gotitas se evaporan inmediatamente en vapor de agua, significa que la sartén está caliente; pero no lo suficientemente caliente. En cambio, si las gotas de agua flotan y giran alrededor de la sartén por un tiempo antes de evaporarse, significa que su sartén está muy caliente y lista para una experimentación culinaria intensa.

Este simple truco ha estado en práctica en nuestros hogares durante mucho tiempo, pero algo en él no parece estar bien. Sabemos que el agua se evapora alrededor de los 100°C, por lo que lógicamente, a temperaturas más altas, la evaporación sería aún más rápida, ¿no? Si eso es cierto, ¿por qué el agua líquida corretea por superficies que están mucho más calientes que su punto de ebullición?

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¿Qué sucede con el agua en una superficie caliente?

El punto de ebullición del agua es de alrededor de 100°C al nivel del mar, pero ¿por qué exactamente hierve el agua a esta temperatura en particular? La temperatura, en términos simples, es una medida de la energía cinética de las partículas medidas. Esto significa que a temperaturas más altas, las partículas tienen mayor energía cinética. En consecuencia, se mueven con más vigor, rompen sus enlaces más fácilmente y se expanden gradualmente hasta alcanzar su estado de vapor. Esta es la razón por la cual el agua se vaporiza cuando entra en contacto con un cuerpo alrededor de su punto de ebullición.

Si coloca una gota de agua líquida sobre una superficie cuya temperatura es un poco más baja que su punto de ebullición, la gota se aplanará y se calentará lentamente. Sin embargo, si la superficie está alrededor del punto de ebullición, observamos que la gota se evapora casi instantáneamente, junto con un silbido.

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Agua hirviendo sobre una superficie caliente (Crédito de la foto: chaoss/Shutterstock)

Ahora, ¿qué sucede cuando la superficie está mucho más caliente que el punto de ebullición del agua? ¿Se vaporiza inmediatamente? Bueno, sí y no.

A una temperatura que es significativamente más alta que el punto de ebullición del líquido, sucede algo interesante.

Dado que la superficie está muy caliente, en el momento en que la base de la gota de agua toca la superficie caliente, se vaporiza. Esta vaporización instantánea crea una cojín de vapor entre el agua líquida y la superficie calentada. Este proceso se llama ‘Película hirviendo’ y es la causa detrás del ‘Efecto del Agua Danzante’, más formalmente conocido como El efecto Leidenfrost.

El efecto Leidenfrost

Este efecto ocurre cuando un líquido entra en contacto con una superficie que está a una temperatura mucho más alta que el punto de ebullición del líquido.

Gota de agua efecto Leidenfrost

Una gota de agua sobre una superficie extremadamente caliente demuestra el efecto Leidenfrost. (Crédito de la foto: Cryonic07/Wikimedia commons)

El efecto Leidenfrost fue descrito por primera vez por el teólogo alemán Johann Gottlob Leidenfrost en la década de 1750 en un manuscrito titulado Un tratado sobre algunas cualidades del agua común. Estaba realizando experimentos colocando gotas de agua en una cuchara de hierro al rojo vivo cuando notó algo fascinante; en lugar de hervir inmediatamente, las gotas parecían persistir en la cuchara. De hecho, parecía como si las gotas estuvieran absorbiendo el calor de la superficie al rojo vivo.

¿Qué causa el efecto Leidenfrost?

El colchón de vapor creado durante la ebullición de la película es el responsable del efecto Leidenfrost;

En primer lugarla barrera gaseosa formada actúa como aislante térmico. La conductividad térmica del vapor de agua es casi 20 veces menor que la del agua líquida. Por lo tanto, el colchón de vapor evita una mayor transmisión de calor desde la superficie a la capa líquida. Esta es la razón por la cual la gota de agua permanece como un líquido incluso a temperaturas tan altas, pero eventualmente, las capas inferiores se evaporan rápidamente y la gota se desvanece gradualmente.

Gota de Leidenfrost

El efecto Leidenfrost (Crédito de la foto: Vystrix Nexoth/Wikimedia commons)

El colchón de vapor formado tiene un espesor de alrededor de 0,2 mm en el centro y 0,1 mm en los bordes. Incluso si es muy delgado, esta capa ejerce una presión hacia arriba que mantiene la gota de líquido en el aire. Cuando lo vemos, parece como si la gota de agua estuviera levitando mágicamente sobre una superficie caliente.

Además, la capa de vapor también es sensible a las perturbaciones. Dado que la gota de agua flota sin esfuerzo sobre un colchón de gas, la fricción se reduce drásticamente. Por lo tanto, una pequeña cresta o una ligera inclinación pueden enviar la gota a toda velocidad a través de la superficie. Ahora puede ver por qué las gotas que levitan parecen deslizarse aleatoriamente por la superficie.

La temperatura a la que se produce el efecto Leidenfrost para un líquido se denomina Punto Leidenfrost. Este punto puede variar de fluido a fluido dependiendo de las propiedades del fluido y la naturaleza de la superficie. En el caso del agua líquida, el efecto Leidenfrost puede ocurrir entre 170 °C y 220 °C.

¿Otros líquidos muestran este efecto?

El Efecto Leidenfrost puede ocurrir con cualquier líquido que se vierte sobre una superficie cuya temperatura es superior a su punto de ebullición. De hecho, hay algunos experimentos científicos interesantes que hacen uso de este sorprendente efecto.

El experimento del plomo fundido

¿Alguna vez ha visto a personas sumergir sus manos en plomo fundido y luego sacarlas sin quemarse ni una sola vez? El secreto detrás de esto es el efecto Leidenfrost.

La temperatura del plomo fundido puede oscilar entre 300 y 400 °C, que está muy por encima del punto de ebullición del agua. Antes de sumergir las manos en el plomo, la gente primero se humedece las manos sumergiéndolas en agua líquida. Además, cuando esta mano se sumerge en el plomo fundido, el agua presente en la mano forma una capa de vapor que actúa como un guante aislante sobre la mano, evitando que se queme. Sin embargo, este experimento puede volverse extremadamente peligroso si la mano se deja en el plomo fundido durante demasiado tiempo.

Nitrógeno líquido

El nitrógeno líquido es otro líquido que muestra fácilmente el efecto Leidenfrost. Cuando se deja caer sobre una superficie a temperatura ambiente o cuando se derrama en el aire, el nitrógeno líquido parece deslizarse por toda la superficie como perlas de vidrio. Esta es una demostración perfecta del efecto Leidenfrost. El punto de ebullición del nitrógeno líquido es de alrededor de -196oC. Por lo tanto, la temperatura ambiente normal (20oC) está muy por encima del punto de ebullición del nitrógeno, por lo que el nitrógeno líquido experimenta una película de ebullición a temperaturas normales.

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Efecto Leidenfrost mostrado por nitrógeno líquido (Crédito de la foto: Forance/Shutterstock)

Aplicaciones del efecto Leidenfrost

Además de las geniales demostraciones científicas, ¿tiene este efecto alguna aplicación seria en la vida real? ¡Sí! De hecho, el efecto Leidenfrost tiene aplicaciones en todas partes, desde impresoras de inyección de tinta hasta reactores nucleares.

Reactores nucleares hacer uso de intercambiadores de calor de agua para mantener sus temperaturas bajo control. Aquí, el Efecto Leidenfrost puede ser un villano.

Si los reactores se calientan demasiado, la ebullición pelicular da como resultado la formación de una capa de vapor que, a su vez, dificulta la transferencia de calor del reactor al agua. Esto hace que el intercambiador de calor sea menos eficiente y afecta el buen funcionamiento del reactor. Por lo tanto, en los reactores nucleares, el Efecto Leidenfrost debe mantenerse siempre bajo control para evitar desastres nucleares, como el ocurrido en Fukushima.

Además, se están realizando muchos estudios sobre el efecto Leidenfrost para explorar más sobre sus propiedades de levitación y movimiento, que pueden ser vitales en el desarrollo de mecanismos de autopropulsión.

También podemos hacer uso del Efecto Leidenfrost para manipular el movimiento de los fluidos. Los científicos han descubierto que si se crean crestas afiladas repetitivas en la superficie caliente, las gotas pueden subir las crestas de la misma manera que uno sube una escalera.

Además, se utilizan laberintos especiales creados con superficies acanaladas y revestimientos hidrofóbicos para guiar las gotas de agua por los caminos deseados. Este tipo de movimiento de fluidos controlado tiene algunas aplicaciones interesantes en la generación de corriente eléctrica y la dinámica de fluidos. Por lo tanto, el alcance futuro del efecto Leidenfrost es ilimitado.

El efecto Leidenfrost es un ejemplo de la extraña naturaleza de la ciencia y la termodinámica. Ahora que comprende la ciencia detrás de este fenómeno genial, ¡ha descubierto oficialmente el poder de hacer que las gotas de agua leviten y bailen cuando se lo ordenen!

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