Agua: ese ¿líquido? asombroso (y 2)

Algua en ebullución en Yellow Stone

Anteayer nos preocupábamos de los daños que puede sufrir nuestro coche cuando la temperatura baja por debajo del punto de fusión del agua. Hoy hablaremos del extremo opuesto.

Llegar al punto de ebullición del agua de forma natural es bastante poco probable. De todas formas, si la temperatura ambiental llegara a ser de 100ºC, el coche sería nuestro problema más leve.

Los problemas, por lo tanto, pueden provenir del calor generador por el propio vehículo. Sin lugar a dudas el sistema de refrigeración es el más expuesto a este peligro, ya que su finalidad es precisamente llevarse el calor del motor a otra parte donde no pueda dañar las piezas.

Para empezar, ¿por qué hierve el agua al superar cierta temperatura? Como ya hemos dicho otras veces, al aumentar la temperatura, las moléculas que forman el líquido se mueven cada vez más rápido. Por ejemplo, la velocidad media de las moléculas de agua a 25ºC es de unos 1635km/h. A 100ºC, llega a superar los 1830km/h.

Dadas estas grandes velocidades, las moléculas tienden a intentar escaparse del líquido. Las colisiones de las moléculas contra las paredes del recipiente son la causa de la presiónSin embargo, existen dos fuerzas que intentan impedírselo: el enlace entre moléculas (en el caso del agua, los puentes de hidrógeno) y la presión externa.

En su veloz y errante movimiento, las moléculas llegan a colisionar contra las paredes del recipiente. Es lógico pensar que cuanto mayor sea la extensión de la pared del recipiente, más serán moléculas de agua que impacten contra ella. Éste es el motivo de que hablemos de presión, es decir, fuerza por unidad de superficie.

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Naturalmente, al incrementar la velocidad de las partículas (es decir, la temperatura), los impactos contra las paredes serán cada vez más potentes. Pueden pasar dos cosas, que la pared ceda o no. Si cede, el agua pasa a ocupar un volumen ligeramente mayor (excepto si la temperatura es pequeña, como explicamos anteayer), de forma que la presión se vuelve a reducir hasta recuperar el valor anterior. Es decir, este tipo de paredes permiten que la presión sea constante.

No obstante, si las paredes del recipiente son rígidas y no pueden ser empujadas por la presión del agua, deben ejercer cierta fuerza para mantenerse en el sitio. Es esta misma fuerza la que impide que las moléculas del agua puedan escapar. Es decir, como ya había avanzado, la presión actúa reteniendo a las moléculas dentro del líquido.

En conclusión, cuanto mayor sea la presión, más rápido deberán moverse las moléculas para poder escapar. En otras palabras, la temperatura de ebullición aumenta al incrementar la presión. Todos sabemos que a presión atmosférica, el agua hierve a 100ºC. Sin embargo, si doblamos la presión no consigue empezar a hervir hasta los 120ºC aproximadamente.

Esquema del circuito de refrigeración

El sistema de refrigeración se aprovecha de este hecho para permitir evitar la ebullición. A medida que el agua del circuito va absorbiendo el calor del motor, la presión va aumentado, de forma que se pueden llegar a obtener temperaturas elevadas sin llegar a hervir. Para evitar que la presión reviente el circuito, cuando se sobrepasa cierto límite (al rededor de una atmósfera y media), se abre una válvula que deja salir parte del agua, reduciendo la presión.

El agua retirada del circuito vuelve al vaso de expansión. Dado que está muy caliente, ocupa más de lo normal. Por ese motivo debe quedar buena parte del vaso de expansión vacío: nunca debe llenarse por encima del máximo. De hecho, el agua podría estar por encima de los 100ºC, pero no hierve debido a la presión del aire caliente en la parte superior del vaso. Por ese motivo nunca debe abrirse el tapón en caliente, una reducción repentina de la presión podría provocar la ebullición explosiva y dejarnos bien escaldados.

Por supuesto, si se retira demasiada agua, al enfriarse el líquido la presión disminuye demasiado: se crea un vacío y el sistema de refrigeración deja de ser eficaz. Para evitarlo, cuando la presión disminuye demasiado (por debajo de media atmósfera), otra válvula se abre para permitir que vuelva a entrar agua.

Agua hirviendo

¿Qué pasa si seguimos calentando el líquido? Finalmente, pese a la presión alcanzamos la temperatura de ebullición, las moléculas de agua empiezan a desligarse del líquido y salir volando sin ningún orden. Como todos hemos visto alguna vez en la cocina, puede llegar a ser un proceso bastante violento: al salir disparado, el vapor puede arrastrar parte del agua que aún queda en estado líquido, provocando la salida de burbujas que explotan y salpican alrededor.

Pero, ¿por qué es peligroso que llegue a hervir el agua dentro del sistema de refrigeración? Por varios motivos. En primer lugar, un gas es mucho más difícil de bombear (ya que es muy compresible), y puede escaparse del circuito con mucha más facilidad.

En segundo lugar, se utiliza agua líquida porque el agua líquida es capaz de absorber mucha energía térmica sin elevarse demasiado su temperatura. En cambio, cuando pasa a estado gaseoso, esto ya no es así. Absorbiendo la misma energía térmica, el vapor se calienta aproximadamente el doble que la misma masa de agua líquida.

Es decir, si el sistema de refrigeración contuviera vapor de agua en vez de líquido, sería capaz de desalojar mucho menos calor. Eso provocaría que un peligroso sobrecalentamiento del motor. A la vez, el gas se calentaría mucho más rápidamente, provocando una inmensa subida de la presión. En casos extremos, podría llegar a reventar algún manguito, haciendo que el vapor de agua salga al exterior en forma de humo blanco.

Por lo tanto, si notamos que la temperatura del líquido refrigerante sube por encima de lo normal, lo mejor es detener el motor lo antes posible (siempre con seguridad). Si el nivel del líquido (en frío) ha descendido notablemente, seguramente tendremos una pérdida en el circuito, y la única solución permanente es reparar la avería. Reponer el liquido para volverlo a perder no es más que un parche temporal, y ya sabemos que los problemas suelen empeorar con el tiempo si no se atajan.

En Circula seguro | La temperatura del motor (1 y 2)
Fotos | urbanfeel, textoscientificos, Freddy The Boy, Generalitat de Catalunya, Markus Schweiss (bajo GNU)