la frase del mes

"La física es como el sexo. Seguro que tiene una utilidad práctica, pero no es por eso que lo hacemos" Richard Feynman
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Tensión superficial y vino.

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Un concepto del que seguro hemos oído hablar todos es la denominada, tensión superficial. Citando los típicos ejemplos, es la responsable que nos permitió jugar en nuestra infancia con las pompas de jabón y dejarnos fascinados al ver aquellos insectos caminar sobre las aguas de los ríos. Pero en Deliquios vamos algo más allá ¿Puede una aguja flotar en el agua? ¿Qué tipo de agua? ¿Qué tiene que ver esto con el vino?. Veamos primero un video que hemos preparado.



La tensión superficial existente en los límites de un líquido y un gas (interfase), es el resultado de una descompensación de fuerzas.
Imaginemos un vaso lleno de agua, debido a su estructura molecular, el agua posee una polaridad (que forma los llamados puentes de hidrogeno) responsable de muchas de su peculiaridades. Estas fuerzas quedan desequilibradas en la superficie del agua ya que por la parte superior no existen más moléculas que las contraresten y por tanto, las moléculas superficiales tienden a ser atraídas hacia el interior del líquido.

Por este motivo podemos llenar con cuidado un vaso por encima de su borde.

Los sistemas siempre tienden a la mínima energía, los líquidos con alta tensión superficial tienden minimizar su superficie evitando al máximo esta descompensación y formando gotas o esferas en ingravidez.

En el video, vemos como al añadir jabón el alfiler cae. En efecto, estos agentes tensioactivos minimizan la tensión superficial creando espumas o en otras proporciones llegando permitir la formación de las famosas pompas de jabón.

En realidad, los pequeños insectos capaces de mantenerse sobre el agua se suelen encontrar en cursos altos de los ríos, ya que cualquier contaminante hace disminuir la tensión superficial y obviamente, se hundirían.


El insecto de la izquierda es algo más espabiliado.

Por último, si disfrutamos de un buen vino podemos observar la típica formación de gotas en el borde de la superficie. Conocidas como lágrimas de vino, son la causa del efecto Marangoni, que no es otra cosa que la dinámica que se establece entre dos liquidos con tensión superficial diferente.


Simplificando el vino a una mezcla de alcohol y agua, esta sube por capilaridad y va formando una delgada película de ambos (tensión superficial baja). Mientras suben por la pared del vaso los compuestos se van evaporando pero el alcohol al ser mucho más volátil lo hace en mayor proporción provocando que finalmente se forman las gotas de agua ya que la tensión superficial aumentó. Finalmente las gotas caerán de nuevo al vaso y por tanto cuanto mayor recorrido hayan realizado mayor cantidad de alcohol tiene el vino.

¿Por qué se me pega el arroz?

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Uno de los resultados probables a la hora de preparar por ejemplo, una paella, es que se te acabe quemando el arroz. Como siempre, la experiencia es un factor a tener en cuenta pero si eres novato agradecerás cualquier explicación que te ayude a asegurar el éxito.

Veamos, lo que nosotros realizamos es una cocción del arroz por lo que llevamos el agua a su punto de ebullición y una vez ahí la temperatura se mantiene constante.

Como en cualquier cambio de estado (sólido-liquido-gas) la temperatura no variará hasta que consigamos que todas las moléculas se pasen de bando y esto es un proceso costoso. Calentar agua es algo que requiere un tiempo pero conseguir que el cazo se evapore ya es otro cantar. En realidad nos aprovechamos de este factor para poder cocinar los alimentos ya que mientras tenga agua el alimento las temperaturas no subirán mucho mas de 120ºC * y evitaremos que la temperatura se nos dispare con un trágico resultado.


Que mejor manera de ver esto, que en un video que os hemos preparado (niños, no hagáis esto en casa):




Por tanto, al preparar la paella el agua se empieza a evaporar y el arroz a cocerse, en este punto debemos regular la potencia o cantidad de gas ya que mientras se mantenga la ebullición
no conseguiremos aumentar la temperatura total** aunque trabajáramos con sopletes, lo único que lograríamos sería que se evaporara más rápido.

Según el tipo de arroz utilizado el tiempo variará junto con la proporción de arroz/agua, pero para evitar que se nos carbonice la parte inferior habrá que estar atentos a que siempre quede algo de agua en el fondo. Lo ideal es cortar el aporte de calor poco antes de que se avapore toda el agua ya que siempre hay una inercia térmica motivo por el cual se oye la frase de dejar al arroz reposar.

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*Las temperaturas son aproximadas, además no es lo mismo hervir con agua pura que con sal u otras sustancias ya que el punto de ebullición aumenta. Esto se relaciona con el antiguo post de Super-refrigeracion casera pero lo ampliaremos con más detalle en un futuro.

**Si aportamos mucho calor y las condiciones dificultan el movimiento natural de convección disipar ese calor será imposible y lo que este en contacto con el metal (sin agua de por medio) acabara qumándose. Por eso las lentejas también se pegan.

El termómetro que utilizamos en el video mide la temperatura gracias al sensor de infrarojos, cualquier cuerpo por estar a una temperatura emite una radiación de mayor o menor energía, es por ello que metales se ponen alrojo vivo ya que al aumentar mucho la energia su radiación entra dentro del espectro visible.

Si en vez de cocer estamos friendo, el cocinado es mas rápido ya que la Tª de ebullición del aceite suele estar en torno a los 200ºC.

El frío metal.

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Todos conocemos la expresión "tan frío como el metal" y es que a pesar de estar en la misma habitación los metales parecen estar más fríos que el resto de cosas.

El intercambio de calor es un proceso natural de equilibrio en el que, recordemos, siempre se produce del cuerpo con más temperatura al que tiene menos. Se lleva a cambio mediante tres mecanismos distintos: conducción, convección y radiación.

Hablamos de conducción, cuando el flujo de calor es a través de la masa del propio cuerpo, sin que haya movimiento de materia. La facilidad con el se produce depende de lo buen conductor que sea el material. En la mayoría de los casos los que son buenos conductores de electricidad son también de calor.

Empezamos entonces a descubrir la explicación de por qué al tocar un metal parece que esté más frío que el resto de cosas, nuestra temperatura es superior a la de la habitación y en contacto con el metal se produce un flujo de calor nuestra mano a la superficie metálica. Dado que es muy buen conductor, el calor "viaja" fácilmente y el enfriamiento de nuestra mano es más rápido que si por ejemplo tocáramos algo de madera. Por esta razón, a pesar de que en la habitación se encontraba todo a la misma temperatura, nuestra sensación térmica al comparar los dos materiales no ha sido esa.

Este truco lo aprovechan los que caminan sobre las brasas ya que las cenizas son mal conductoras y no llegan a abrasarse los pies puesto que el contacto no es prolongado. Nunca veréis a uno de éstos caminando sobre una sartén gigante encima de las brasas.

Suerte que leo Deliquios.

En futuros posts nos centraremos en el resto de mecanismos de transmisión de calor respondiendo por ejemplo a por qué el frío en la costa es más insoportable que en el interior.

El sudor de las botellas

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Nuestra imaginación se nos anticipa. Uno se muere de sed y reproduce mentalmente esa refrescante "botella de" que poco tiempo después apura en un par de tragos. Escogemos la bebida, la que nos gusta, la que nos apetece; moldeamos su recipiente quizá de una forma más imprecisa, qué más da esto último, no nos interesan los detalles... pero, eso sí, casi desde un principio e inconscientemente le exigimos a nuestra bebida ideal un requisito indispensable: que la superficie de aquello que le sirve de continente se halle húmeda, perlada, como garantía de frescor.

El Principio Cero de la Termodinámica es de perogrullo: cuando dos cuerpos de diferente temperatura se ponen en contacto, los dos acaban a la misma temperatura pasado un tiempo. Es lo que sucede, por ejemplo, con los cubitos de hielo en un vaso de agua. En contacto, los cubitos se deshacen y el agua se refresca. Tanto cubitos como agua han variado su temperatura con respecto al estado inicial: el agua se enfría, los cubitos se calientan. También puede suceder que dos sistemas en contacto alcancen la misma temperatura sin que la de uno de ellos varíe. Si un día caluroso dejamos un vaso de agua fría a la intemperie, se calienta hasta alcanzar la temperatura ambiente, pero la atmósfera no experimenta cambio alguno en su temperatura, como lo hacen los cubitos de hielo.

El mecanismo del que se sirve la naturaleza para que dos o más cuerpos a diferente temperatura puestos en contacto alcancen el mismo valor de la temperatura -lo que se llama estado de equilibrio térmico- es el calor. El calor es energía en tránsito, si se quiere, "temperatura en movimiento". Por eso carece de sentido afirmar que un cuerpo tiene calor, pues el calor no es algo estático. Entonces, si ponemos en contacto un cuerpo de temperatura A con otro de temperatura menor B, se produce una cesión de energía por parte del cuerpo A al B mediante el mecanismo de calor. La energía cedida se traduce en decremento de la temperatura para el objeto que cede y en incremento de temperatura para el objeto que recibe. Cuando se igualan, el tránsito, el calor, cesa. Una analogía muy clarificadora es la de los vasos comunicantes.


Cada vaso representa un objeto; el nivel del agua en cada uno de ellos, su temperatura; el conducto que los une simboliza que están en contacto. ¿Qué sucede? El agua pasa del recipiente A al B hasta que sus niveles se igualan. El agua a través del conducto significa energía en tránsito, calor. Este flujo equilibra los niveles de agua en cada recipiente; equilibra la temperatura de los cuerpos puestos en contacto. En la situación final, los dos vasos contienen agua al mismo nivel, es decir, están a la misma temperatura. El flujo de agua cesa; el flujo energético, el calor, desaparece. De modo que una botella de cerveza sacada de la nevera y puesta sobre la mesa un día de verano intercambia energía con el medio en virtud de su diferencia de temperatura. El medio, a una temperatura sofocante, cede energía a la botella mediante el mecanismo de calor descrito, por lo que la botella aumenta su temperatura. En este caso, no obstante, el medio permanece a temperatura constante. Es como si en el dibujo anterior conectáramos el vaso B... ¡a un vaso infinito!: pasaría agua del vaso infinito al vaso B hasta que quedara a su nivel, pero el nivel del primero permanecería invariable.*

El efecto del descenso de temperatura sobre el aire circundante a la botella de cerveza fresca tiene un efecto inmediato sobre su capacidad de almacenar el vapor de agua que, como sabemos, puede contener el aire... aquello de la humedad del aire, ¿n0?.

Quienes desayunamos leche sabemos que un tazón de colacao/nesquik se chocolatea más si se sirve caliente que si se sirve fría. También nos hemos fijado en que el polvo de cacao y al azúcar se deposita en el fondo en más cantidad en un vaso de leche fría que en uno de leche caliente. Cuanto más caliente está la leche, más cucharadas de colacao/nesquik admite, se pueden disolver en ella, sin que deposite. Esto es debido a la distancia entre las moléculas, que en estas condiciones depende de la temperatura a la que se encuentre el líquido del que forman parte: cuanto mayor sea su temperatura, mayor es la distancia entre sus moléculas constituyentes, lo cual ocasiona que entre ellas pueda ser albergado un mayor número de partículas de cacao en suspensión.

Con el aire y el vapor de agua que contiene sucede algo similar. Cuanto mayor es su temperatura, mayor es el valor máximo de vapor de agua que admite en suspensión. Si la temperatura disminuye, dicho valor disminuye y, como en la leche fría con el cacao, menos vapor de agua admite. Cuando esto sucede en el caso de la leche, en el fondo del vaso se depositan gránulos de azúcar y cacao; en el caso del aire, el agua en estado de vapor condensa y se vuelve líquida, es la forma de deshacerse del agua excedente. Ahora bien, es necesaria una superficie sobre la que condensar dicho excedente.

En el ejemplo que estamos tratando, la botella aporta la superficie. Repasemos:

La botella se encuentra más fría que el medio en el que se encuentra embebida -el aire del comedor sobre cuya mesa la hemos dejado-, por eso el aire le cede energía mediante el mecanismo de calor hasta que sus temperaturas se igualan. Si bien la temperatura de la habitación no varía notablemente por la presencia de la botella, sí lo hace sustancialmente la temperatura del volumen de aire que rodea inmediatamente la botella. Como su temperatura disminuye, su capacidad de contener vapor de agua también; de modo que por el hecho de estar en contacto directo con las paredes de la botella, a esta masa de aire "le cabe" menos agua en forma de vapor... la que sobra, la condensa sobre las paredes de la botella: son las gotitas de agua que perlan su superficie y le confieren ese aspecto tan apatecible.

Sudaditas y entre amigos, mucho mejor

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*Aunque en el desarrollo del artículo no se comenta, se da por sentado que a nadie se le ocurre que del depósito B pasa agua al A; es decir, que un cuerpo frío puesto en contacto con otro caliente espontáneamente se enfría, mientras que el caliente se sigue calentando. Esto sólo puede suceder si obligamos al sistema artificialmente. Al margen de esto, que da para mucho, el chocante comportamiento descrito no sólo contradice la lógica y la experiencia, sino que arremete contra los Principios de la Termodinámica cuyo alcance, sin entrar en detalle, es total, establecen qué puede y no ser en el Universo, fijando, incluso, cuál es la dirección de avance del tiempo que miden nuestros relojes.

Super-refrigeración casera.

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Primer artículo de esta web, con espíritu CPI (blog altamente recomendado) voy a intentar llamar vuestra atención con un método de enfriamiento, práctico, fácil y muy efectivo:

Super-refrigeración casera.

Imagínate que has comprado unas cervezas y quieres tenerlas bien fresquitas antes del partido, aunque desgraciadamente, lo has dejado para última hora y están calientes.

El remedio habitual suele ser meterlas en el congelador y esperar a que estén listas para el comienzo, pero supongamos que falta poco y te apetece asombrar a tus amigos.

Si colocamos en un recipiente hielo, muy poca agua y las cervezas,

la temperatura al cabo de un rato se mantendrá sobre los 0ºC, aunque el hielo en nuestro congelador tenga un temperatura entorno a los -20ºC. Como mínimo, solamente podremos conseguir la temperatura de fusión ya que nos encontramos justo con este fenómeno.

Esto que parece una estupidez y hemos hecho todos, es algo a tener en cuenta para nuestra modificación.

Si en lugar de lo anterior, ponemos sal gorda en abundancia y lo mezclamos bien con el hielo y las cervezas:

La sal hará que el hielo se derrita y como os podéis imaginar, para que esto ocurra será necesaria una mayor cantidad de energía, es decir, que bajará la temperatura.

Como se puede ver, al añadir sal y esperar un rato, hemos conseguido una temperatura de -10ºC, por lo que tus cervecitas estarán listas en menos tiempo.
Incluso, se te habrá formado escarcha en el exterior del recipiente ya que a esa temperatura el agua de la humedad del aire condensa y se congela.

Como la sal hace que la temperatura de fusión baje (ver fusión eutéctica), el hielo seguirá descongelándose y absorbiendo más energía, por tanto, podríamos obtener temperaturas más bajas.

Tanto el proceso de fusión como el de evaporación consumen energía. Si alguna vez te has mojado la mano con acetona, te habrá parecido que se encuentra realmente fría, sin embargo el bote no lo está. Al ser un compuesto muy volátil, en contacto con tu mano se evaporará y para ello necesita una energía que es la que tú le das y es por lo que parece que esta más fría que el propio bote.

Un saludo especial a David Metro, con el que paso largos ratos discutiendo sobre tonterías como esta.