Cuando hiervo un hervidor, ¿qué impide que toda el agua se convierta (¡explosione!) en vapor de una sola vez una vez que alcanza los 100 °C?

Question

Mientras preparaba una taza de té en la cocina de la oficina, un colega me hizo esta pregunta y ninguno de los dos pudimos responder con certeza. Suponemos que tiene algo que ver con la presión de la columna de agua o las diferencias de temperatura entre la parte superior y la inferior, pero ¿alguien conoce la verdadera razón?

Answer 1

Se necesita energía para convertir el agua en vapor. Esto se denomina calor latente de vaporización y para el agua es de 2,26 MJ/kg. Por tanto, para hervir 1 kg (aproximadamente un litro) de agua a 100 °C, el hervidor necesitaría suministrar 2,26 MJ. Suponiendo que el hervidor tenga una potencia de 1 kW, tardaría 2260 segundos.

Dado el inesperado interés que suscita esta pregunta, permítanme que me extienda un poco sobre lo que le ocurre al agua. Supongamos que partimos de agua a temperatura ambiente y encendemos la tetera. Tomaremos como potencia del elemento $W$ (unidades de julios por segundo) por lo que tenemos $W$ J/s entrando en el agua. Esta potencia puede utilizarse para dos fines:

1. para calentar el agua

2. evaporar (hervir) el agua

Sea la velocidad de aumento de la temperatura por segundo $\Delta T$ entonces la potencia utilizada para este aumento es $C\,\Delta T$ donde $C$ es el calor específico del agua. Sea la velocidad de evaporación $\Delta M$ kg/s, entonces la potencia utilizada para evaporar el agua es de $L\,\Delta M$ donde $L$ es el calor latente de vaporización. Estos dos deben sumar la potencia que se suministra así:

$$ W = C\,\Delta T + L\,\Delta M $$

Cuando empezamos a calentar, y el agua está fría, la tasa de evaporación es muy baja por lo que podemos ignorarla y decir $\Delta M \approx 0$ . En ese caso nos encontramos con que el agua se calienta a una velocidad de:

$$ \Delta T = \frac{W}{C} $$

Cuando el agua está hirviendo, la velocidad de aumento de la temperatura es cero porque el agua no puede calentarse (mucho) más de 100 °C, por lo que $\Delta T = 0$ . En ese caso encontramos que el agua se evapora a una velocidad de:

$$ \Delta M = \frac{W}{L} $$

Así que al principio el agua se calienta principalmente a una velocidad de $W/C$ grados por segundo, y al hervir el agua se convierte en vapor a una velocidad de $W/L$ kilogramos por segundo. Entre medias, el agua se calentará y se evaporará a una velocidad inferior a estos dos límites.

Answer 2

Como ninguna de las respuestas dadas hasta ahora responde realmente a la pregunta, aquí van mis dos centavos :

Entre la convección (el flujo de agua a distintas temperaturas alrededor de la hervidora) y el hecho de que la resistencia está en el fondo, el agua está a distintas temperaturas en distintas partes de la hervidora en cualquier momento. Normalmente, la más caliente está en la parte inferior, si la hervidora está encima de un elemento calefactor. De hecho, se puede ver con una olla de cristal con agua que las burbujas se forman en (o muy cerca) del fondo.

Además, hay un factor que no es tan importante para los hervidores, pero que puede ser relevante: los puntos de nucleación. Cuando se produce un cambio de fase (por ejemplo, de líquido a gas), normalmente comienza en un lugar que presenta algún tipo de perturbación, tal vez una mota de impureza en el agua, una fluctuación de temperatura localmente significativa, una ligera imperfección en la superficie del (interior del) fondo del hervidor, ese tipo de cosas. Por eso, aunque al bajar la temperatura aumenta la solubilidad del CO2 en H2O, al dejar caer un cubito de hielo en la soda se libera mucho gas: la abundancia de puntos de nucleación en la superficie del hielo permite que el CO2 disuelto se disuelva y forme burbujas.

Por lo tanto, calentar una taza de agua en un microondas donde el volumen de agua es lo suficientemente pequeño como para calentarse uniformemente, y se calienta desde el interior en lugar de desde el exterior, es es posible que toda la taza llegue a 100°C al mismo tiempo. Si el interior de la taza es muy liso y el agua muy pura, podría incluso sobrecalentarse un poco. sobre 100°C. En este punto, una ligera perturbación (como meter una cuchara o un poco de azúcar, o moverla y hacer ondas) puede crear un punto de nucleación y hacer que gran parte de la taza hierva al mismo tiempo. Esto es a la vez muy chulo y bastante peligroso: si vas a una sala de urgencias de una gran ciudad verás que, de vez en cuando, atienden a gente con la cara muy quemada debido a este efecto.

Answer 3

La temperatura es una medida de media energía cinética. Cuando tenemos un hervidor de agua a 100ºC, algunas de las moléculas de agua tendrán más energía que la media y otras menos. Las moléculas con más energía que la media son las que se convertirán en vapor, con lo que perderán su energía y bajará la media (y, por tanto, la temperatura) del resto del agua.

Por eso se empieza a ver vapor antes de que el hervidor alcance los 100C, por eso hay que seguir añadiendo calor después de que el hervidor alcance esa temperatura y por eso el agua del hervidor no hierve toda a la vez.

Answer 4

Si quieres ver cómo toda el agua de un recipiente se convierte inmediatamente en vapor, necesitas un recipiente transparente que puedas cerrar herméticamente. Llena el recipiente al 50% con agua y ciérralo herméticamente. Coloca el recipiente sobre una llama abierta y deja que se caliente. Mientras se calienta, aléjate y observa el recipiente con unos prismáticos desde cierta distancia (por ejemplo, entre 50 y 100 m). Suponiendo que el recipiente sea resistente, el agua se calentará a una temperatura muy superior a 100 C antes de romperse, lo que significa que, una vez que se rompa, el agua expuesta a la atmósfera se sobrecalentará considerablemente. En ese momento, gran parte del agua se convertirá inmediatamente en vapor. La vigorosa expansión resultante lanzará trozos del contenedor en todas direcciones a gran velocidad, razón por la que conviene estar lejos.

En otras palabras, no lo intente en su cocina.

Answer 5

Resumen

• La temperatura del agua corresponde al concepto de energía cinética media. Las moléculas reales presentan una distribución de diversas energías cinéticas.
• Se necesita una cantidad de energía para hervir una cantidad de agua.
• Para que una cantidad de agua hirviera aproximadamente al instante, todas sus moléculas tendrían que tener aproximadamente la misma energía cinética, lo cual es termodinámicamente improbable.
• Por lo tanto, una cantidad de agua no "acumula" energía al calentarse y luego se evapora repentinamente. Más bien se produce un desgaste gradual de las moléculas que se mueven con rapidez.
• Por lo tanto, necesitamos los conceptos de calor latente de vaporización, junto con el concepto de temperatura termodinámica para entender por qué el agua no hierve de golpe.

Debate

Lo que impide que el agua explote de golpe cuando alcanza la temperatura de ebullición es que la noción de temperatura corresponde a la energía cinética media del líquido.

El agua, en su punto de ebullición, es una mezcla de moléculas que se mueven a distintas velocidades y, por tanto, energías cinéticas (según una distribución representado aquí ). Sólo un pequeño número de moléculas tienen exactamente la energía que corresponde a 100 grados Celsius. La mayoría tienen menos, o más.

La razón por la que el agua se calienta hasta el punto de ebullición y luego permanece allí es que aquellas moléculas que tienen una gran cantidad de energía cinética se liberan de la atracción que las mantiene unidas y se evaporan. Esta evaporación es una forma de retroalimentación negativa que mantiene estable la temperatura: las moléculas que se van son invariablemente las de alta energía cinética, lo que deja atrás a las lentas, y eso mantiene baja la energía cinética media (temperatura). Si se aumenta el flujo de calor entrante, aumenta la velocidad de ebullición, mientras que la temperatura se mantiene estable.

Una cantidad de agua "explotará" si se aplica instantáneamente una gran cantidad de calor, y/o si se produce algún otro acontecimiento, como una despresurización repentina. (Por supuesto, por ejemplo, una explosión nuclear puede vaporizar repentinamente un lago).

Esto nos lleva a otra razón por la que el agua hervida no suele explotar de golpe y convertirse en vapor. La vaporización requiere energía: el "calor latente de vaporización". La vaporización instantánea de una cantidad de agua requiere que toda la energía esté disponible al mismo tiempo. Mientras que el mecanismo de calentamiento típico utilizado para hervir agua suministra calor lentamente a lo largo del tiempo. El tiempo necesario para hervir el agua puede calcularse como la energía total necesaria para hervirla dividida por la intensidad del calor que se transfiere al agua. (La potencia en vatios del calentador, modificada por la eficacia de la transferencia de calor).

Si una cierta cantidad de agua necesita 10.000 J de energía para hervir y el calentador tiene 1.000 W, de los cuales 150 W llegan al agua (supongamos que este rendimiento del 15% es constante durante todo el periodo de vaporización, lo que sin duda no es realista), la ebullición tarda unos 66 segundos: $10000J / 150W \approx 66s$ (un vatio de potencia/intensidad es un julio de energía por segundo).

Sin embargo, si seguimos únicamente esta explicación del calor latente, no tenemos ninguna razón para creer que el agua no podría acumular calor durante 66 segundos y luego vaporizarse repentinamente . Hay que tener en cuenta la distribución variable de las energías cinéticas de las moléculas de agua, que hace que sea muy improbable que todas alcancen la energía necesaria para escapar casi simultáneamente.