¿Por qué el agua congelada revienta una tubería?

Question

Cuando el agua se congela en una tubería puede agrietarla. Supongo que esto requiere mucha energía, ya que cuando intento abrir una tubería puede ser un trabajo duro.

Creo que la congelación del agua es el resultado de la pérdida de energía (calor) desde el agua y fuera de la tubería hacia el entorno de congelación que la rodea.

Entonces, ¿qué energía está agrietando la tubería y cómo? ¿Cuando está caliente y no está congelada hay más energía en la tubería que cuando está congelada?

Mi pregunta secundaria podría ser: ¿se trata de un fenómeno particular del agua o sería otra materia la que abre una tubería cuando se congela de líquido a sólido?

Andrew

Answer 1

En primer lugar, cuando dices que intentar romper una tubería es un trabajo duro, lo que probablemente quieres decir (en términos físicos) es que se necesita una gran fuerza. Pero eso no significa necesariamente que requiera mucha energía . La energía utilizada en un proceso físico como éste es igual a la fuerza multiplicada por la distancia sobre la que se aplica la fuerza, y no hay que empujar mucho para romper una tubería. De hecho, la tubería apenas se mueve antes de resquebrajarse, por lo que, aunque la fuerza requerida es bastante grande, sólo actúa sobre una distancia minúscula y, por tanto, apenas requiere energía real. La poca energía que se necesita puede proceder del propio agua.

Para explicar el "cómo" hay que considerar las interacciones moleculares. (Bueno, no tienen pero lo voy a hacer). La energía de cada par de moléculas de agua varía con la distancia entre ellas, de la manera que muestra (aproximadamente) el siguiente gráfico (de Wikipedia ).

Lennard-Jones potencial http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5a/12-6-Lennard-Jones-Potential.png/800px-12-6-Lennard-Jones-Potential.png

Verás que hay una determinada distancia en la que la energía es mínima. Esta distancia representa la distancia de equilibrio "natural" entre las moléculas cuando no hay presión. Sin embargo, cuando el agua está bajo presión, las moléculas se juntan (porque la presión es más o menos parecida a la fuerza), por lo que su distancia real será un poco más cercana que el mínimo del gráfico.

El agua tiene la propiedad única de que su densidad "natural" a presión constante alcanza un máximo a cierta temperatura, alrededor de 4 grados Celsius, y que su forma congelada (hielo) es menos densa que su forma líquida. En otras palabras, la distancia intermolecular de equilibrio (el mínimo del gráfico) es menor a 4 grados Celsius. Si la temperatura del agua va a descender por debajo de los 4 grados Celsius, el mínimo se desplaza un poco hacia la derecha, lo que significa que tiene que ocurrir una de estas dos cosas: o bien el agua se expande (si la separación intermolecular se mantiene en el mínimo de la gráfica), o bien su presión aumenta (si la separación intermolecular sube por la pendiente de la gráfica).

Ahora piensa en la situación de una tubería. Mientras la tubería permanezca intacta, el agua no puede expandirse en absoluto. Así que la única opción es que la presión aumente. A medida que la presión aumenta, la fuerza sobre la tubería también se incrementa, y te darás cuenta de que como la pendiente de la curva es muy pronunciada, la fuerza aumenta muy rápidamente. En algún momento, la fuerza se vuelve lo suficientemente grande como para superar los enlaces que mantienen unidos los átomos/moléculas de la tubería, y en ese momento, la tubería se rompe. Obsérvese que en este modelo teórico no es necesario que ninguna parte de la tubería se haya movido, lo que significa que la tubería podría agrietarse sin que se utilice ninguna energía. (En la práctica, ocurren otras cosas que sí hacen que se necesite un poco de energía).

Answer 2

No pretendo entender todos los números (sólo soy un abogado de oficio, no un abogado de verdad), pero creo que este problema concreto se basa en algo más que un simple cálculo del cambio de volumen/densidad del agua al congelarse. Las tuberías no suelen ser sistemas cerrados; por ejemplo, el agua recogida en las tuberías de desagüe es libre de expandirse a lo largo de la tubería cuando se congela, por lo que la posibilidad de que una tubería de desagüe reviente debido a la congelación del agua es mínima. Del mismo modo, el agua de una tubería de suministro de agua normalmente sólo está bajo la presión del suministro de agua entrante (de un pozo o de una tubería subterránea de suministro de agua de la ciudad mucho más grande). Esta cantidad de presión está dentro de la capacidad de resistencia de la tubería; de hecho, la tubería está diseñada para ello. El único problema surge cuando el agua se expande al congelarse.

Pero es muy importante saber dónde se congela el agua primero. Si el agua se congela en un grifo exterior para una manguera de jardín PRIMERO, probablemente no reventará el grifo o la tubería. Durante el cambio de fase, el agua es libre de fluir un poco y, por lo tanto, el grifo ni siquiera tiene que lidiar con toda la presión del agua que se expandió en su interior (aproximadamente un 10% en volumen si estoy leyendo correctamente los mensajes anteriores); como en el ejemplo de la tubería de desagüe, el agua es libre de expandirse a lo largo de la tubería: todo lo que tiene que hacer es forzar un poco el retroceso del suministro de agua al superar la presión relativamente baja del suministro de agua. Este fenómeno de alivio de la presión es probable que se produzca siempre que el agua se congele primero en uno de los muchos extremos de un sistema de fontanería. Por lo tanto, la mayoría de las tuberías reventadas no se producen simplemente por el hielo en sí.

Verás, el verdadero problema ocurre cuando el agua se congela por primera vez sólido en algún lugar entre la presión del suministro de agua y el final de la tubería, creando un bloqueo. Cuando esto ocurre, el agua queda atrapada entre la obstrucción de agua congelada y el extremo de la tubería. Esa agua no tiene adónde ir cuando empieza a congelarse más agua entre el bloqueo congelado y el extremo de la tubería: la presión del agua sube y sube hasta que revienta la parte más débil de la tubería y se escapa. Así que al final no es realmente el hielo el que revienta la tubería, sino el agua que aún no se ha congelado. Puedo decir que mi amigo fontanero está de acuerdo con esta explicación y ayuda a explicar por qué las tuberías más grandes tienen menos probabilidades de reventar (porque es mucho más difícil que toda el agua de una sección de la tubería se congele a la vez y cree un bloqueo).

Answer 3

Una respuesta muy sencilla es que al congelar el agua aumenta su volumen o disminuye su densidad de 1000 kg/m^3 en la fase líquida a 920 kg/m^3 en la sólida. Detalles que puede encontrar aquí . Se puede calcular fácilmente a partir de aquí el aumento de volumen que experimentaría la masa de un agua libre (igual a la del interior del tubo). Ya que para una misma masa, m, de agua se encuentra m= \rho El sistema de la red de distribución es el mismo que el de la red de distribución de la red de distribución de la red de distribución. \rho _iV_i. Aquí el subíndice w indica el agua, mientras que i señala el hielo; V es el volumen y \rho es la densidad. Ahora bien, a partir de esto es fácil encontrar \frac {V_i-V_w}{V_i}= \frac { \rho _w- \rho _i}{ \rho _w}=0.08 Esta es una tensión enorme. El módulo de volumen del agua es de aproximadamente B \approx 2 \text {GPa} (lo encontrarás en el mismo artículo de Wikipedia). Entonces la presión en el tubo cerrado es P=B \unicode \times \text { $\Delta $ V}/V. Esto da como resultado P=1,6 \times 10^8 \text {Pa}. Esta presión rompe la tubería. Obsérvese que es sólo 2-3 órdenes de magnitud menor que la resistencia teórica del metal, que es \sim 10^{11} \text {Pa} , pero como se sabe, los sólidos ceden al fracturarse mucho antes de alcanzar su resistencia teórica.

Answer 4

Creo que la lógica relativa a que el hielo puede expandirse a lo largo de una tubería (y, por tanto, mitigar la fractura de la tubería a medida que el agua se expande) es razonable. Podría demostrarse (y probablemente se ha demostrado) experimentalmente. Pero, por otro lado, no estoy de acuerdo con el "agua en estado líquido contenida/atrapada" como explicación de la fractura de tuberías. Si llenas completamente un recipiente con agua, se fracturará cuando el agua se congele. Por supuesto, el agua se congelará desde fuera hacia dentro, y se podría decir que hay un efecto del agua aún no congelada que contribuye a aumentar la presión. Pero creo que es la expansión localizada del agua en estado congelado (mientras que al mismo tiempo el hielo actúa como un tapón que impide el flujo del agua) lo que ejerce la presión. Esto fractura la tubería. Mientras se mantengan las condiciones de congelación, el "tapón de hielo" permanece como un sellador que impide el flujo de agua. La fractura se detecta cuando el hielo se descongela y el agua sale por la tubería; bajo la presión del agua doméstica, este flujo puede ser considerable. Entre paréntesis, un fontanero amigo mío acaba de insistir en que el agua se contrae cuando se congela.