Hirviendo

Nucleate hervir el agua sobre un quemador de cocina

Ebullición es la transición rápida de fase de líquido a gas o vapor; el reverso de la ebullición es la condensación. La ebullición ocurre cuando un líquido se calienta hasta su punto de ebullición, cuando la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión ejercida sobre el líquido por la atmósfera circundante. La ebullición y la evaporación son las dos formas principales de vaporización de líquidos.

Hay dos tipos principales de ebullición: ebullición nucleada, donde se forman pequeñas burbujas de vapor en puntos discretos, y ebullición de flujo de calor crítico, donde la superficie de ebullición se calienta por encima de cierta temperatura crítica y se forma una película de vapor en la superficie. La ebullición de transición es una forma intermedia e inestable de ebullición con elementos de ambos tipos. El punto de ebullición del agua es de 100 °C o 212 °F, pero es más bajo con la disminución de la presión atmosférica que se encuentra en altitudes más altas.

El agua hirviendo se usa como método para hacerla potable al matar microbios y virus que puedan estar presentes. La sensibilidad de los diferentes microorganismos al calor varía, pero si el agua se mantiene a 100 °C (212 °F) durante un minuto, la mayoría de los microorganismos y virus se inactivan. Diez minutos a una temperatura de 70 °C (158 °F) también son suficientes para inactivar la mayoría de las bacterias.

El agua hirviendo también se usa en varios métodos de cocción, como hervir, cocinar al vapor y escalfar.

Tipos

Convección libre

El flujo de calor más bajo que se observa en la ebullición solo es suficiente para causar [convección natural], donde el fluido más caliente sube debido a su densidad ligeramente mayor. Esta condición ocurre solo cuando el sobrecalentamiento es muy bajo, lo que significa que la superficie caliente cerca del fluido tiene casi la misma temperatura que el punto de ebullición.

Nucleado

La ebullición nucleada se caracteriza por el crecimiento de burbujas o estallidos en una superficie calentada (nucleación heterogénea), que se eleva desde puntos discretos en una superficie, cuya temperatura es solo ligeramente superior a la temperatura del líquido. En general, el número de sitios de nucleación aumenta con el aumento de la temperatura de la superficie.

Una superficie irregular del recipiente de ebullición (es decir, mayor rugosidad de la superficie) o aditivos en el fluido (es decir, tensioactivos y/o nanopartículas) facilitan la ebullición nucleada en un rango de temperatura más amplio, mientras que una superficie excepcionalmente lisa, como el plástico, se presta al sobrecalentamiento. Bajo estas condiciones, un líquido calentado puede mostrar un retraso en la ebullición y la temperatura puede subir un poco por encima del punto de ebullición sin hervir.

La nucleación homogénea, donde las burbujas se forman a partir del líquido circundante en lugar de en una superficie, puede ocurrir si el líquido está más caliente en su centro y más frío en las superficies del recipiente. Esto se puede hacer, por ejemplo, en un horno microondas, que calienta el agua y no el recipiente.

Flujo de calor crítico

El flujo de calor crítico describe el límite térmico de un fenómeno en el que se produce un cambio de fase durante el calentamiento (como la formación de burbujas en una superficie metálica utilizada para calentar agua), lo que reduce repentinamente la eficiencia de la transferencia de calor, lo que provoca un sobrecalentamiento localizado del superficie de calentamiento A medida que la superficie de ebullición se calienta por encima de una temperatura crítica, se forma una película de vapor sobre la superficie. Dado que esta película de vapor es mucho menos capaz de alejar el calor de la superficie, la temperatura aumenta muy rápidamente más allá de este punto hacia el régimen de ebullición de transición. El punto en el que esto ocurre depende de las características del fluido en ebullición y de la superficie de calentamiento en cuestión.

Transición

La ebullición de transición puede definirse como la ebullición inestable, que ocurre a temperaturas superficiales entre el máximo alcanzable en nucleado y el mínimo alcanzable en ebullición pelicular.

La formación de burbujas en un líquido caliente es un proceso físico complejo que a menudo implica cavitación y efectos acústicos, como el silbido de amplio espectro que se escucha en una tetera que aún no se ha calentado hasta el punto en que las burbujas hierven a la superficie.

Película

Si una superficie que calienta el líquido está significativamente más caliente que el líquido, se producirá una ebullición pelicular, donde una fina capa de vapor, que tiene una baja conductividad térmica, aísla la superficie. Esta condición de una película de vapor que aísla la superficie del líquido caracteriza la ebullición de la película.

Influencia de la geometría

Piscina hirviendo

"Piscina hirviendo" se refiere a la ebullición donde no hay flujo convectivo forzado. En cambio, el flujo ocurre debido a gradientes de densidad. Puede experimentar cualquiera de los regímenes mencionados anteriormente.

Ebullición de flujo

"Ebullición de flujo" ocurre cuando el fluido en ebullición circula, típicamente a través de tuberías. Su movimiento puede ser impulsado por bombas, como en las centrales eléctricas, o por gradientes de densidad, como en un termosifón o un tubo de calor. Los flujos en ebullición de flujo a menudo se caracterizan por un parámetro de fracción vacía, que indica la fracción del volumen en el sistema que es vapor. Se puede usar esta fracción y las densidades para calcular la calidad del vapor, que se refiere a la fracción de masa que se encuentra en la fase gaseosa. La ebullición de flujo puede ser muy compleja, con fuertes influencias de la densidad, las tasas de flujo y el flujo de calor, así como la tensión superficial. El mismo sistema puede tener regiones que son líquidas, gaseosas y de flujo bifásico. Tales regímenes de dos fases pueden conducir a algunos de los mejores coeficientes de transferencia de calor de cualquier sistema.

Ebullición confinada

La ebullición confinada se refiere a la ebullición en geometrías confinadas, típicamente caracterizadas por un [Número de enlace] que compara el espacio entre espacios con la longitud del capilar. Los regímenes de ebullición confinada comienzan a jugar un papel importante cuando Bo < 0.5. Este régimen de ebullición está dominado por "burbujas de tallo de vapor" dejado atrás después de que el vapor se va. Estas burbujas actúan como semillas para el crecimiento de vapor. La ebullición confinada es particularmente prometedora para el enfriamiento de la electrónica.

Física

El punto de ebullición de un elemento a una presión determinada es un atributo característico del elemento. Esto también es cierto para muchos compuestos simples, incluidos el agua y los alcoholes simples. Una vez iniciada la ebullición y siempre que la ebullición se mantenga estable y la presión constante, la temperatura del líquido en ebullición permanece constante. Este atributo condujo a la adopción de puntos de ebullición como la definición de 100°C.

Destilación

Las mezclas de líquidos volátiles tienen un punto de ebullición específico para esa mezcla que produce vapor con una mezcla constante de componentes: la mezcla de ebullición constante. Este atributo permite que las mezclas de líquidos se separen o se separen parcialmente por ebullición y es mejor conocido como un medio para separar el etanol del agua.

Usos

Refrigeración y aire acondicionado

La mayoría de los tipos de refrigeración y algunos tipos de aire acondicionado funcionan comprimiendo un gas para que se vuelva líquido y luego dejándolo hervir. Esto adsorbe el calor del entorno enfriando el frigorífico o el congelador o enfriando el aire que entra en un edificio. Los líquidos típicos incluyen propano, amoníaco, dióxido de carbono o nitrógeno.

Para potabilizar el agua

Como método de desinfección del agua, llevarla a su punto de ebullición a 100 °C (212 °F), es la forma más antigua y efectiva ya que no afecta el sabor, es efectivo a pesar de los contaminantes o partículas presentes en y es un proceso de un solo paso que elimina la mayoría de los microbios responsables de causar enfermedades relacionadas con el intestino. El punto de ebullición del agua es de 100 °C (212 °F) al nivel del mar y a una presión barométrica normal. En lugares que cuenten con un sistema adecuado de purificación de agua, se recomienda únicamente como método de tratamiento de emergencia o para obtener agua potable en áreas silvestres o rurales, ya que no puede remover toxinas químicas o impurezas.

La eliminación de microorganismos por ebullición sigue una cinética de primer orden: a altas temperaturas, se logra en menos tiempo ya bajas temperaturas, en más tiempo. La sensibilidad al calor de los microorganismos varía, a 70 °C (158 °F), las especies de Giardia (causan la giardiasis) pueden tardar diez minutos en inactivarse por completo, y la mayoría de los intestinos afectan a los microbios y E. coli (gastroenteritis) toman menos de un minuto; en el punto de ebullición, Vibrio cholerae (cólera) tarda diez segundos y el virus de la hepatitis A (provoca el síntoma de ictericia), un minuto. La ebullición no asegura la eliminación de todos los microorganismos; las esporas bacterianas Clostridium pueden sobrevivir a 100 °C (212 °F) pero no se transmiten por el agua ni afectan al intestino. Por lo tanto, para la salud humana, no se requiere la esterilización completa del agua.

El consejo tradicional de hervir el agua durante diez minutos es principalmente para mayor seguridad, ya que los microbios comienzan a eliminarse a temperaturas superiores a los 60 °C (140 °F) y llevarla a su punto de ebullición también es una indicación útil que puede ser visto sin la ayuda de un termómetro, y en este momento, el agua está desinfectada. Aunque el punto de ebullición disminuye con el aumento de la altitud, no es suficiente para afectar el proceso de desinfección.

En la cocina

Pasta de boiling.

Hervir es el método de cocinar alimentos en agua hirviendo u otros líquidos a base de agua, como caldo o leche. Cocer a fuego lento es una ebullición suave, mientras que al escalfar el líquido de cocción se mueve pero apenas burbujea.

Por lo general, se considera que el punto de ebullición del agua es de 100 °C (212 °F; 373 K), especialmente al nivel del mar. La presión y un cambio en la composición del líquido pueden alterar el punto de ebullición del líquido. La cocción a gran altura generalmente toma más tiempo ya que el punto de ebullición es una función de la presión atmosférica. A una altura de aproximadamente una milla (1600 m), el agua hierve a aproximadamente 95 °C (203 °F; 368 K). Según el tipo de comida y la altura, es posible que el agua hirviendo no esté lo suficientemente caliente para cocinar la comida correctamente. De manera similar, aumentar la presión como en una olla a presión eleva la temperatura del contenido por encima del punto de ebullición al aire libre.

Hervir en la bolsa

También conocido como "hervir en bolsa", consiste en calentar o cocinar alimentos precocinados sellados en una bolsa de plástico gruesa. La bolsa que contiene la comida, a menudo congelada, se sumerge en agua hirviendo durante un tiempo determinado. Los platos resultantes se pueden preparar con mayor comodidad ya que no se ensucian ollas ni sartenes en el proceso. Estas comidas están disponibles para acampar y para comer en casa.

Contraste con evaporación

A cualquier temperatura dada, las moléculas en un líquido tienen energías cinéticas variables. Algunas partículas de alta energía en la superficie del líquido pueden tener suficiente energía para escapar de las fuerzas de atracción intermoleculares del líquido y convertirse en gas. Esto se llama evaporación.

La evaporación solo ocurre en la superficie mientras que la ebullición ocurre en todo el líquido. Cuando un líquido alcanza su punto de ebullición, se forman en él burbujas de gas que suben a la superficie y estallan en el aire. Este proceso se llama ebullición. Si el líquido hirviendo se calienta con más fuerza, la temperatura no aumenta pero el líquido hierve más rápidamente.

Esta distinción es exclusiva de la transición de líquido a gas; cualquier transición directa de sólido a gas siempre se denomina sublimación, independientemente de si está en su punto de ebullición o no.