Sobrecalentamiento

En termodinámica , el sobrecalentamiento (a veces denominado retardo de ebullición o retraso de ebullición ) es el fenómeno en el que un líquido se calienta a una temperatura superior a su punto de ebullición , sin que hierva . Este es el llamado estado metaestable o metaestado , donde la ebullición puede ocurrir en cualquier momento, inducida por efectos externos o internos. ^{[1] [2]} El sobrecalentamiento se logra calentando una sustancia homogénea en un recipiente limpio, libre de sitios de nucleación , teniendo cuidado de no alterar el líquido.

Esto puede ocurrir si se calienta agua en el microondas en un recipiente muy liso. Si se remueve el agua, puede producirse una erupción peligrosa de agua caliente y provocar quemaduras . ^[3]

Se dice que el agua "hierve" cuando las burbujas de vapor de agua crecen sin límites y estallan en la superficie. Para que una burbuja de vapor se expanda, la temperatura debe ser lo suficientemente alta como para que la presión de vapor supere la presión ambiental (la presión atmosférica , principalmente). Por debajo de esa temperatura, una burbuja de vapor de agua se encogerá y desaparecerá.

El sobrecalentamiento es una excepción a esta sencilla regla: a veces se observa que un líquido no hierve aunque su presión de vapor supere la presión ambiental. La causa es una fuerza adicional, la tensión superficial , que suprime el crecimiento de burbujas. ^[4]

La tensión superficial hace que la burbuja actúe como un globo elástico. La presión en el interior aumenta ligeramente debido a que la "piel" intenta contraerse. Para que la burbuja se expanda, la temperatura debe elevarse ligeramente por encima del punto de ebullición para generar suficiente presión de vapor para superar tanto la tensión superficial como la presión ambiental.

Lo que hace que el sobrecalentamiento sea tan explosivo es que es más fácil inflar una burbuja más grande que una pequeña; al igual que cuando se infla un globo, la parte más difícil es empezar. Resulta que el exceso de presión debido a la tensión superficial es inversamente proporcional al diámetro de la burbuja. ^[5] Es decir, . ${\displaystyle \Delta p}$${\estilo de visualización d}$${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$

Esto se puede deducir imaginando un avión que corta una burbuja en dos mitades. Cada mitad es atraída hacia el centro con una fuerza de tensión superficial , que debe ser equilibrada por la fuerza de la presión excesiva . Así, obtenemos , que se simplifica a .${\displaystyle F\propto \pi d}$${\displaystyle \Delta p\times (\pi d^{2}/4)}$${\displaystyle \Delta p(\pi d^{2}/4)\propto \pi d}$${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$

Esto significa que si las burbujas más grandes en un recipiente son pequeñas, de solo unos pocos micrómetros de diámetro, superar la tensión superficial puede requerir una gran presión , lo que requiere superar el punto de ebullición en varios grados Celsius. Una vez que una burbuja comienza a crecer, la presión de la tensión superficial disminuye, por lo que se expande explosivamente en un bucle de retroalimentación positiva. En la práctica, la mayoría de los recipientes tienen rayones u otras imperfecciones que atrapan bolsas de aire que proporcionan burbujas iniciales, y el agua impura que contiene pequeñas partículas también puede atrapar bolsas de aire. Solo un recipiente liso de líquido purificado puede sobrecalentarse de manera confiable.${\displaystyle \Delta p}$

El sobrecalentamiento puede ocurrir cuando un recipiente de agua no tocado se calienta en un horno microondas . En el momento en que se retira el recipiente, la falta de sitios de nucleación impide la ebullición, dejando la superficie en calma. Sin embargo, una vez que se remueve el agua, parte de ella se convierte violentamente en vapor , lo que puede rociar agua hirviendo fuera del recipiente. ^[6] La ebullición puede desencadenarse al sacudir la taza, insertar un dispositivo de agitación o agregar una sustancia como café instantáneo o azúcar. La probabilidad de sobrecalentamiento es mayor con recipientes lisos, porque los rayones o las astillas pueden albergar pequeñas bolsas de aire, que sirven como puntos de nucleación . El sobrecalentamiento es más probable después de repetidos ciclos de calentamiento y enfriamiento de un recipiente no tocado, como cuando se vuelve a calentar una taza de café olvidada sin sacarla de un horno microondas. Esto se debe a que los ciclos de calentamiento liberan gases disueltos como oxígeno y nitrógeno del solvente. Hay formas de prevenir el sobrecalentamiento en un horno microondas, como colocar un objeto no metálico (como un palito para revolver) en el recipiente de antemano o usar un recipiente rayado. Para evitar una ebullición repentina y peligrosa, se recomienda no calentar el agua en el microondas durante un tiempo excesivo. ^[3]

El sobrecalentamiento del hidrógeno líquido se utiliza en cámaras de burbujas .

• Vídeo de agua sobrecalentada en un microondas que hierve explosivamente, por qué sucede y por qué es peligroso.
• Bloomfield, Louis A. "Una serie de experimentos con agua sobrecalentada y una película de aceite realizados en el microondas por Louis A. Bloomfield, profesor de física de la Universidad de Virginia. El experimento nº 13 se desarrolla con una violencia sorprendente". Archivado desde el original el 2 de junio de 2008.
• Vídeo de agua sobrecalentada en una olla.