domingo, 30 de mayo de 2010

El superenfriamiento

A pesar de que el término más correcto es sobrefusión, lo cierto es que es el término más común y por el que más gente conoce este fenómeno es superenfriamiento. Consiste básicamente en enfriar un líquido por debajo de su temperatura de fusión sin que éste llegue a solidificarse. Quizá esto os choque un poco a primera vista, pero para que os vayáis haciendo a la idea de este fenómeno os dejo el siguiente vídeo grabado por nuestro compañero Héctor tras haber dejado una cerveza durante tres horas en el congelador.


Curioso, ¿verdad? Pues lo cierto es que la explicación física no es excesivamente difícil, al menos de forma intuitiva. En esta entrada vamos a tratar de comprender por qué sucede algo así.

Antes de empezar debemos de tener presente un concepto importante que es responsable, en gran medida, del proceso: la nucleación. La nucleación consiste en pequeñas zonas del sólido, el líquido o el gas que se esté tratando, donde se tiene una fase termodinámica diferente. En otras palabras. Si tenemos un líquido, la nucleación puede consistir en pequeñas burbujas de aire que están en otra fase termodinámica: en estado gaseoso. También se puede dar en sólidos o en gases. Por ejemplo, las burbujas de aire o de agua que se quedan atrapadas en el hielo; o las gotas de agua en el vapor, fenómeno que se da en la atmósfera y se conoce como núcleos de condensación en las nubes.

Ahora bien, ¿qué tiene que ver la nucleación con el fenómeno del superenfriamiento? La respuesta es que la nucleación interviene directamente en las posibilidades de producirse superenfriamiento. Los cambios de fase tienen lugar siempre a partir de las zonas donde hay nucleación, ya que son las zonas en las que el estado termodinámico es diferente al del resto de la muestra. Si eliminamos la nucleación el cambio de fase puede retrasarse y podemos hacer que el agua se enfríe muy por debajo de los 0ºC o que se caliente muy por encima. Un dato sorprendente que nos da la Wikipedia es que se ha llegado a conseguir agua sobreenfriada a ¡¡¡-42ºC!!! E incluso a -123ºC en caso de tener agua vítrea. Realmente impresionante, ¿no os parece?

Bien, pues ya sabemos que cuando no tenemos zonas donde hay nucleación podemos retrasar el cambio de fase, pero por qué en la cerveza de Héctor no hay suficientes zonas de nucleación como para evitar el superenfriamiento. La forma de eliminar la nucleación en el caso de los líquidos es introducirlos en un recipiente lo más liso y perfecto posible, es decir que no tenga pequeños rayones o imperfecciones donde puedan quedar atrapados burbujas que favorezcan la nucleación.

Y la última cuestión que nos falta por responder es saber por qué al darle un golpe a la cerveza ésta se cogela de golpe. La respuesta es sencilla. Cuando hacemos que la cerveza sobrepase su temperatura de fusión hacemos que entre en un estado metaestable, lo cual quiere decir que está en un estado que puede parecer estable (líquido superenfriado), pero que a la más mínima perturbación éste va a decaer a un estado completamente estable (sólido). La perturbación, como bien os estaréis imaginando, en este caso es el golpe. Así pues, ya tenemos la explicación del fenómeno.


Resulta sorprendente saber que este fenómeno se da de forma espontánea también en la naturaleza. Nuestra compañera Shora del blog MedTempus escribió hace un tiempo sobre la lluvia engelante que produce el superenfriamiento en el agua de lluvia lo que produce que ésta se convierta en hielo nada más que toca el suelo, los árboles o cualquier objeto con las terribles consecuencias que puede tener, tal y como podéis ver en la imágen superior o en los vídeos que publicó Shora.

Toda la explicación se puede aplicar al fenómeno de supercalentamiento del que ya hablamos hace tiempo. En este caso, en lugar de tener un líquido que se convierte a sólido de forma espontánea, tenemos un líquido que pasa a estado gaseoso al perturbarlo. Este fenómeno es más peligroso y no os animamos a tratar de hacerlo, pero sí os animamos a intentar lograr un superenfriamiento y ver la cara que ponen vuestros amigos. Esperamos vuestras experiencias con este fenómeno.

Saludos ;)

No saber ciencia es peligroso
Perdidos: el Cisne

14 comentarios:

José Luis dijo...

Wis, el cambio de fase de líquido a sólido se ha producido tras el golpe aplicado a la botella fuera del congelador, ¿se hubiese producido el mismo efecto si el golpe se hubiese producido dentro del congelador?
Gracias por esta buena entrada ;)
Un saludo ;)

Wis_Alien dijo...

Gracias, José Luis.

La respuesta a tu pregunta es sí, da igual que esté en el congelador. Cualquier golpe podría aportar la suficiente energía al sistema como para sacarlo del estado metaestable y hacerlo pasar al estable y, por tanto, solidificarse.

Saludos ;)

Javier Fernández Panadero dijo...

Muy interesante!

Dicen por ahí que con la cerveza el aumento de presión que genera el gas al golpearla ayuda a la solidificación.

Saludos

Wis_Alien dijo...

No tengo yo muy claro que esa afirmación sea correcta. Quizá pueda influir, pero no me parece algo importante. Después de todo la cerveza aún no se ha abierto y la presión en su interior no va a variar tras el golpe.

Sí que es correcto que el golpe produce que el gas atrapado dentro de la cerveza pueda "liberarse" con mayor facilidad y por tanto dar lugar a nucleación, favoreciendo de esta forma el cambio de estado. Pero esto no tiene nada que ver con la presión.

Saludos ;)

Javier dijo...

Hola Wis

Yo diría (por nuestra experiencia con refrescos...) que al agitar y pasar más CO2 a la fase gaseosa aumenta la presión interior y eso favorece el proceso.

Otra cosa que me hace pensar eso es que la gente que hace este experimento con botellas de agua mineral dice que alcanzar el punto "dulce" del asunto es más difícil.

Aunque siempre se ha hablado de que la histéresis en los cambios de fase es más acusada con las sustancias puras, el hecho de que salga mejor con cerveza puede tener que ver con el gas.

Te cuento mis impresiones compañero, no tengo claro que vaya la respuesta en un sentido u otro.

Saludos

Javier

Jesús dijo...

Muy muy buena la entrada!

Me ha gustado mucho. Y el experimento muy sencillo y didáctico.

Tengo algunas dudas. Entiendo que en el agua de la lluvia no existan nucleantes que favorezcan la nucleación, pero ¿en una cerveza? Hay gas disuelto y alguna burbujilla siempre hay... ¿Cómo hicísteis para que se quedara todo líquido?

Respecto a lo de la presión. Está claro que al darle un golpe, la cerveza empieza a expulsar el gas disuelto. Al empezar a salir las burbujas aumenta la presión de la botella. Pero, al estar cerrada y haber muy poco volumen libre (casi todo es líquido), llega un momento en que la presión es tan grande que se llega a un equilibrio y deja de salir burbujas. Cogiendo una botella de cocacola sin abrir y agitando, se ve que aunque esté cerrada algo de burbujillas se genera. Por lo que creo que la presión sí variará.

De todas formas, no creo que la presión influya en la solidificación, pero creo que todas esas burbujillas generadas actúan como nucleantes produciendo la congelación instantánea. Como mucho, la presión favorecería sacar al liquido del estado metaestable, pero sin las burbujillas tardaría más en congelarse. La solución a este dilema es realizar el experimento con agua mineral. Se puede usar la misma botella de cristal (lisa y sin imperfecciones) y ponerle un tapón.

¿Alguien se anima?

Jesús dijo...

De hecho, con agua destilada sería lo idóneo...

Hector dijo...

"¿en una cerveza? Hay gas disuelto y alguna burbujilla siempre hay... ¿Cómo hicísteis para que se quedara todo líquido?"

No hicimos nada especial Jesús. Procuramos no mover la botella de forma brusca. Pero seguía líquida después de las 3 horas, sin hacer nada más que meterla en el congelador ;)

Wis_Alien dijo...

Javier, lo del CO2 lo iba a comentar ya que es un cambio de fase similar en el que tenemos las burbujas en un estado metaestable y se dispara el proceso al liberar la presión del interior de la lata de CocaCola, pero se me hacía muy larga la entrada :P

He estado pensando que sí que aumenta la presión en el interior de la botella, pero sigo pensando que el factor más importante es la creación de burbujas que favorecen la nucleación y por tanto el cambio de fase.

Esto es más o menos lo que ha comentado Jesús. Que por cierto, creo que con agua destilada se conseguirá el efecto más facilmente. Al ser una sustancia más pura y haber pocas zonas de nucleación se podrá llegar a disminuir la temperatura mucho más. Eso sí, cuanto más se baje más rápidamente colapsará y se solidificará en el momento que salga del equilibrio metaestable.

Javier Fernández Panadero dijo...

Compañeros todos

Yo no lo he hecho, pero aunque la teoría predice que la histéresis es mayor en sustancias puras, tengo entendido que con la cerveza sale mejor. En mi opinión, si fuera cierto, tiene que ver que al golpear la variación de las condiciones en la cerveza es mayor que las del agua pura por la aparición de las burbujas. Ya me contaréis. Saludos a todos

Jesús dijo...

Wis_Alien, yo estoy con Javier. Mi hipótesis es que con agua destilada tardará más por no tener burbujas que actúen como nucleantes...

Ahí podremos comprobar qué es más importante (en cuanto a velocidad de solidificación): las burbujas o la pureza del líquido.

Wis_Alien dijo...

Pero las burbujas (aunque sea de aire) están siempre ahí y aunque sean pocas van a provocar el cambio de fase igualmente. Y aunque en este caso sea al revés: "cuanto más se sube más gorda será la caída". Cuanto más nos salgamos del equilibrio mayor es la facilidad que va a tener el sistema para caer hacia él.

Si tengo tiempo (cosa un poco complicada en exámenes) miraré si puedo hacer algún cálculo de forma teórica ;)

Javier Fernández Panadero dijo...

Queridos todos

Tal y como yo lo veo, en la bebida hay ácido carbónico, este alcanza un equilibrio en su descomposición en agua y CO2, que tiene que ver, entre otras cosas, con la presión en la fase gas (no es que las burbujas estén disueltas). Así que bien al destapar estas bebidas o al agitar , las burbujas que se producen son nuevas (al menos un rato en la botella agitada).

Corregidme si me equivoco compis. Vaya hilo largo que estamos generando.

Saludos

Alex Del Rincon dijo...

Soy alex y me preguntaba como una burbuja de un gas podia congelar el resto de la cerveza, si se supone que el liquido esta a una temperatura a la que deberia congelarse como puede ser que una burbuja impida y luego provoque esta congelación, agradecera una explicación lo mas sencilla posible, y lo siento por mi falta de comprensión, grácias.