Pregunta práctica (tal vez ingenua) sobre el agua hirviendo

Question

Pongo una botella de vidrio en una gran olla, la embotello, lleno la olla y la botella con agua muy caliente. La botella se sumerge excepto unos pocos cm del cuello de botella y se llena hasta el borde, de modo que algo de agua dentro de la botella está por encima del agua de la olla.

Luego enciendo el fuego. Después de un rato el agua de la olla hierve, pero aunque la mantengo hirviendo durante 30 minutos, el agua dentro de la botella no hierve. Todo lo que veo en el agua dentro de la botella son burbujas muy pequeñas.

Lo mismo ocurre si pongo la botella boca abajo (con algo de aire en la parte superior) ¿Cuál es la razón? Tal vez el vaso actúa como aislante y el agua dentro de la botella no puede alcanzar los 100 grados. ¿O tener unos pocos cm de la botella (y el agua) por encima de la superficie de la olla enfría el agua en su interior?

Answer 1

Para saber por qué ocurre esto, hay que pensar en qué es la ebullición y cómo funciona.

Como sabrás, el agua de la olla hierve porque su temperatura se ha elevado por encima del punto de ebullición gracias a la llama. Esto requirió una transferencia neta de calor desde la llama, a través de la olla, hasta el agua en la olla. ¿Por qué el calor fluyó en esta dirección? Porque la llama está más caliente que el agua de la olla, incluso cuando el agua empieza a hervir ( $T_{flame} > T_{boil}$ )

Ahora, piensa en el agua de la botella. La única manera de que reciba calor es a través del agua de la olla. Mientras la temperatura del agua en la olla, $T_{pot}$ es menor que $T_{boil}$ La botella se ha llenado de agua, pero sigue siendo líquida, y transfiere algo de calor al agua de la botella. El agua de la olla hierve a $T_{boil}$ y ya no puede transferir el calor tan eficazmente al agua de la botella.

Esto significa que el agua de la botella está restringida a una temperatura máxima ligeramente inferior a $T_{boil}$ y por eso nunca hierve.

Otra forma de pensar en esto es que debe haber una diferencia de temperatura para que se produzca una transferencia de calor. Como la temperatura máxima posible del agua de la olla es $T_{boil}$ La temperatura del agua de la botella nunca puede excederla.

EDIT: Otro factor a tener en cuenta es la baja conductividad del vidrio, lo que significa que se necesita una gran diferencia de temperatura para dejar pasar un pequeño flujo de calor.

Answer 2

Cuando el agua hierve, primero se calienta hasta los 212, calentándose a un ritmo de tantos grados por tantos BTU. Pero cuando llega a los 212 se ralentiza. Una tonelada más de energía térmica entra en el agua sin que aumente su temperatura. La energía extra se está acumulando para un CAMBIO DE FASE. No recuerdo la cantidad necesaria, pero hay una pausa de varios minutos mientras se prepara para cambiar a vapor. Acumula la energía extra sin cambiar la temperatura. En cambio, cambia de fase. Finalmente las moléculas de agua han acumulado suficiente energía para saltar fuera de la olla.

Así que la segunda olla puede calentarse fácilmente hasta 212 porque el agua de la primera olla es 212, pero no puede llegar al cambio de fase, no puede llegar a la etapa de ebullición porque el agua en contacto con ella en el otro lado del vidrio nunca superará los 212; la energía extra del quemador está siendo capturada por la primera agua, cambiándola a vapor. La segunda olla está en efecto "bloqueada".

Answer 3

Esto sólo demuestra que el agua está más fría que 100C. Hierve sólo porque está en contacto con el fondo, que puede estar más caliente que 100C. Pero, el resto de la superficie de la olla es mucho más fría y el contenido (el agua) es un gradiente continuo de caída de temperatura desde el fondo caliente hasta las paredes y el techo fríos (¿usas la tapa?)

La imagen de http://microondeeultrasuoni.wordpress.com demuestra cómo su "botella" sí flota por encima del fondo de los 100C. ¿Qué quieres que hierva a esa temperatura, más baja?