Sobrecalentamiento

En termodinámica, sobrecalentamiento (a veces denominado retraso de ebullición o retraso de ebullición) es el fenómeno en el que un líquido se calienta a una temperatura superior a su punto de ebullición, sin llegar a hervir. Este es el llamado estado metaestable o metaestado, donde la ebullición puede ocurrir en cualquier momento, inducida por efectos externos o internos. El sobrecalentamiento se logra calentando una sustancia homogénea en un recipiente limpio, libre de sitios de nucleación, teniendo cuidado de no perturbar el líquido.

Esto puede ocurrir al calentar agua en el microondas en un recipiente muy suave. Perturbar el agua puede causar una erupción peligrosa de agua caliente y provocar quemaduras.

Causa

Para producir ebullición, la presión de vapor debe superar la presión ambiente más una pequeña cantidad de presión inducida por la tensión superficial

Se dice que el agua "hierve" cuando las burbujas de vapor de agua crecen sin límite, estallando en la superficie. Para que una burbuja de vapor se expanda, la temperatura debe ser lo suficientemente alta como para que la presión de vapor exceda la presión ambiental (la presión atmosférica, principalmente). Por debajo de esa temperatura, una burbuja de vapor de agua se encogerá y desaparecerá.

El sobrecalentamiento es una excepción a esta simple regla; A veces se observa que un líquido no hierve aunque su presión de vapor exceda la presión ambiental. La causa es una fuerza adicional, la tensión superficial, que suprime el crecimiento de burbujas.

La tensión superficial hace que la burbuja actúe como un globo elástico. La presión en el interior aumenta ligeramente por la "piel" intentando contratar. Para que la burbuja se expanda, la temperatura debe elevarse ligeramente por encima del punto de ebullición para generar suficiente presión de vapor para superar tanto la tensión superficial como la presión ambiental.

Lo que hace que el supercalentamiento sea tan explosivo es que una burbuja más grande es más fácil de inflar que una pequeña; al igual que al volar un globo, la parte más difícil es empezar. Resulta que el exceso de presión Δ Δ p{displaystyle Delta p} debido a la tensión superficial es inversamente proporcional al diámetro d{displaystyle d} de la burbuja. Eso es, Δ Δ p∝ ∝ d− − 1{displaystyle Delta ppropto d^{-1}.

Esto puede derivarse imaginando un avión cortando una burbuja en dos mitades. Cada mitad se tira hacia el medio con una fuerza de tensión superficial F∝ ∝ π π d{displaystyle Fpropto pi d}, que debe ser equilibrada por la fuerza de la presión excesiva Δ Δ p× × ()π π d2/4){displaystyle Delta ptimes (pi d^{2}/4)}. Así que obtenemos Δ Δ p()π π d2/4)∝ ∝ π π d{displaystyle Delta p(pi d^{2}/4)propto pi d}, que simplifica Δ Δ p∝ ∝ d− − 1{displaystyle Delta ppropto d^{-1}.

Esto significa que si las burbujas más grandes de un contenedor son pequeñas, sólo unos pocos micrometros de diámetro, superar la tensión de la superficie puede requerir un gran Δ Δ p{displaystyle Delta p}, requiriendo exceder el punto de ebullición por varios grados Celsius. Una vez que una burbuja comienza a crecer, la presión de la tensión superficial disminuye, por lo que se expande explosivamente en un bucle de retroalimentación positivo. En la práctica, la mayoría de los contenedores tienen rasguños u otras imperfecciones que atrapan los bolsillos de aire que proporcionan burbujas iniciales, y el agua impuro contiene pequeñas partículas también pueden atrapar los bolsillos de aire. Sólo un recipiente liso de líquido purificado puede sobrecalentarse fiablemente.

Ocurrencia vía horno microondas

Puede ocurrir un sobrecalentamiento cuando se calienta un recipiente de agua intacto en un horno de microondas. En el momento de retirar el recipiente, la falta de sitios de nucleación impide la ebullición, dejando la superficie en calma. Sin embargo, una vez que se agita el agua, parte de ella se convierte violentamente en vapor, lo que podría rociar agua hirviendo fuera del recipiente. La ebullición se puede desencadenar empujando la taza, insertando un dispositivo para revolver o agregando una sustancia como café instantáneo o azúcar. La posibilidad de sobrecalentamiento es mayor con recipientes lisos, porque los rasguños o las astillas pueden albergar pequeñas bolsas de aire, que sirven como puntos de nucleación. El sobrecalentamiento es más probable después de ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento de un recipiente intacto, como cuando se vuelve a calentar una taza de café olvidada sin sacarla del horno de microondas. Esto se debe a que los ciclos de calentamiento liberan gases disueltos como oxígeno y nitrógeno del solvente. Hay formas de evitar el sobrecalentamiento en un horno de microondas, como colocar un objeto no metálico (como una varilla para revolver) en el recipiente de antemano o usar un recipiente rayado. Se recomienda no calentar el agua en el microondas durante un tiempo excesivo.

Aplicaciones

El sobrecalentamiento del hidrógeno líquido se utiliza en las cámaras de burbujas.