Hirviendo

La ebullición o ebullición es la transición rápida de fase de líquido a gas o vapor ; el proceso inverso de la ebullición es la condensación . La ebullición se produce cuando un líquido se calienta hasta su punto de ebullición , de modo que la presión de vapor del líquido es igual a la presión que ejerce sobre el líquido la atmósfera circundante. La ebullición y la evaporación son las dos formas principales de vaporización de líquidos .

Existen dos tipos principales de ebullición: la ebullición nucleada , en la que se forman pequeñas burbujas de vapor en puntos discretos, y la ebullición por flujo de calor crítico , en la que la superficie de ebullición se calienta por encima de una determinada temperatura crítica y se forma una película de vapor sobre la superficie. La ebullición de transición es una forma intermedia e inestable de ebullición con elementos de ambos tipos. El punto de ebullición del agua es de 100 °C o 212 °F, pero es más bajo debido a la menor presión atmosférica que se encuentra a mayores altitudes.

El agua hirviendo se utiliza como método para hacerla potable matando los microbios y virus que puedan estar presentes. La sensibilidad de los diferentes microorganismos al calor varía, pero si el agua se mantiene a 100 °C (212 °F) durante un minuto, la mayoría de los microorganismos y virus se inactivan. Diez minutos a una temperatura de 70 °C (158 °F) también son suficientes para inactivar la mayoría de las bacterias. ^[1]

El agua hirviendo también se utiliza en varios métodos de cocción, incluidos hervir, cocinar al vapor y escalfar .

El flujo de calor más bajo que se observa durante la ebullición solo es suficiente para provocar [convección natural], en la que el fluido más cálido asciende debido a su densidad ligeramente inferior. Esta condición se produce solo cuando el sobrecalentamiento es muy bajo, lo que significa que la superficie caliente cerca del fluido tiene casi la misma temperatura que el punto de ebullición.

La ebullición nucleada se caracteriza por la formación de burbujas o estallidos en una superficie caliente (nucleación heterogénea), que surgen de puntos discretos de una superficie cuya temperatura es apenas superior a la del líquido. En general, el número de puntos de nucleación aumenta a medida que aumenta la temperatura de la superficie.

Una superficie irregular del recipiente de ebullición (es decir, una mayor rugosidad de la superficie) o aditivos para el fluido (es decir, surfactantes y/o nanopartículas ) facilitan la ebullición nucleada en un rango de temperatura más amplio, ^{[2] [3] [4]} mientras que una superficie excepcionalmente lisa, como el plástico, se presta al sobrecalentamiento . En estas condiciones, un líquido calentado puede mostrar un retraso en la ebullición y la temperatura puede subir un poco por encima del punto de ebullición sin hervir.

La nucleación homogénea, en la que las burbujas se forman a partir del líquido circundante en lugar de sobre una superficie, puede ocurrir si el líquido está más caliente en su centro y más frío en las superficies del recipiente. Esto puede ocurrir, por ejemplo, en un horno microondas, que calienta el agua y no el recipiente.

El flujo de calor crítico (CHF) describe el límite térmico de un fenómeno en el que se produce un cambio de fase durante el calentamiento (como las burbujas que se forman en una superficie metálica utilizada para calentar agua ), lo que disminuye repentinamente la eficiencia de la transferencia de calor , lo que provoca un sobrecalentamiento localizado de la superficie de calentamiento. A medida que la superficie de ebullición se calienta por encima de una temperatura crítica, se forma una película de vapor sobre la superficie. Dado que esta película de vapor es mucho menos capaz de alejar el calor de la superficie, la temperatura aumenta muy rápidamente más allá de este punto hacia el régimen de ebullición de transición . El punto en el que esto ocurre depende de las características del fluido en ebullición y de la superficie de calentamiento en cuestión. ^[3]

La ebullición de transición puede definirse como la ebullición inestable que se produce a temperaturas de superficie entre la máxima alcanzable en la ebullición nucleada y la mínima alcanzable en la ebullición en película.

La formación de burbujas en un líquido calentado es un proceso físico complejo que a menudo implica cavitación y efectos acústicos, como el silbido de amplio espectro que se oye en una tetera que aún no se ha calentado hasta el punto en que las burbujas hierven hasta la superficie.

Si una superficie que calienta el líquido está significativamente más caliente que el líquido, se producirá una ebullición pelicular, en la que una fina capa de vapor, que tiene una conductividad térmica baja , aísla la superficie. Esta condición de una película de vapor que aísla la superficie del líquido caracteriza la ebullición pelicular .

La "ebullición en charco" se refiere a la ebullición en la que no hay flujo convectivo forzado, sino que el flujo se produce debido a gradientes de densidad. Puede experimentar cualquiera de los regímenes mencionados anteriormente.

La "ebullición de flujo" se produce cuando el fluido en ebullición circula, normalmente a través de tuberías. ^[5] Su movimiento puede ser impulsado por bombas, como en las centrales eléctricas, o por gradientes de densidad, como en un termosifón o un tubo de calor. Los flujos en la ebullición de flujo a menudo se caracterizan por un parámetro de fracción de vacío, que indica la fracción del volumen del sistema que es vapor. Se puede utilizar esta fracción y las densidades para calcular la calidad del vapor , que se refiere a la fracción de masa que está en la fase gaseosa. La ebullición de flujo puede ser muy compleja, con fuertes influencias de la densidad, las velocidades de flujo y el flujo de calor, así como la tensión superficial. El mismo sistema puede tener regiones que sean de flujo líquido, gaseoso y bifásico. Estos regímenes bifásicos pueden dar lugar a algunos de los mejores coeficientes de transferencia de calor de cualquier sistema.

La ebullición confinada se refiere a la ebullición en geometrías confinadas, caracterizada típicamente por un número de Bond que compara el espaciamiento de la brecha con la longitud del capilar. Los regímenes de ebullición confinada comienzan a desempeñar un papel importante cuando Bo < 0,5. Este régimen de ebullición está dominado por "burbujas madre de vapor" que quedan después de que el vapor se va. ^[6] Estas burbujas actúan como semillas para el crecimiento del vapor. La ebullición confinada típicamente tiene un coeficiente de transferencia de calor más alto pero un CHF más bajo que la ebullición en charco. El CHF ocurre cuando la fuerza del momento del vapor en la interfaz de dos fases equilibra la tensión superficial combinada y las fuerzas hidrostáticas, lo que lleva al crecimiento irreversible del punto seco. ^[7] La ​​ebullición confinada es particularmente prometedora para la refrigeración de dispositivos electrónicos.

El punto de ebullición de un elemento a una presión determinada es un atributo característico del elemento. Esto también es cierto para muchos compuestos simples, incluidos el agua y los alcoholes simples . Una vez que la ebullición ha comenzado y siempre que la ebullición se mantenga estable y la presión sea constante, la temperatura del líquido en ebullición permanece constante. Este atributo llevó a la adopción de los puntos de ebullición como la definición de 100 °C.

Las mezclas de líquidos volátiles tienen un punto de ebullición específico para esa mezcla, lo que produce vapor con una mezcla constante de componentes: la mezcla de ebullición constante . Esta característica permite que las mezclas de líquidos se separen total o parcialmente mediante la ebullición y es más conocida como un medio para separar el etanol del agua.

La mayoría de los tipos de refrigeración y algunos tipos de aire acondicionado funcionan comprimiendo un gas para que se vuelva líquido y luego dejándolo hervir. Esto absorbe el calor del entorno y enfría el refrigerador o el congelador o enfría el aire que ingresa a un edificio. Los líquidos típicos incluyen propano , amoníaco , dióxido de carbono o nitrógeno .

Como método de desinfección del agua, llevarla a su punto de ebullición a 100 °C (212 °F), es la forma más antigua y efectiva ya que no afecta el sabor, es efectiva a pesar de los contaminantes o partículas presentes en ella, y es un proceso de un solo paso que elimina la mayoría de los microbios responsables de causar enfermedades relacionadas con el intestino . ^[8] El punto de ebullición del agua es de 100 °C (212 °F) al nivel del mar y a presión barométrica normal. ^[9] En lugares que cuentan con un sistema adecuado de purificación de agua , se recomienda solo como un método de tratamiento de emergencia o para obtener agua potable en el desierto o en áreas rurales, ya que no puede eliminar toxinas químicas o impurezas. ^{[10] [11]}

La eliminación de microorganismos por ebullición sigue una cinética de primer orden : a altas temperaturas, se logra en menos tiempo y a temperaturas más bajas, en más tiempo. La sensibilidad al calor de los microorganismos varía: a 70 °C (158 °F), las especies de Giardia (que causan giardiasis ) pueden tardar diez minutos en inactivarse por completo, la mayoría de los microbios que afectan al intestino y E. coli ( gastroenteritis ) tardan menos de un minuto; en el punto de ebullición, Vibrio cholerae ( cólera ) tarda diez segundos y el virus de la hepatitis A (provoca el síntoma de ictericia ), un minuto. La ebullición no asegura la eliminación de todos los microorganismos; las esporas bacterianas Clostridium pueden sobrevivir a 100 °C (212 °F) pero no se transmiten por el agua ni afectan al intestino. Por lo tanto, para la salud humana, no se requiere la esterilización completa del agua. ^[8]

El consejo tradicional de hervir el agua durante diez minutos es principalmente para mayor seguridad, ya que los microbios comienzan a eliminarse a temperaturas superiores a 60 °C (140 °F) y llevarla a su punto de ebullición también es una indicación útil que se puede ver sin la ayuda de un termómetro , y para ese momento, el agua está desinfectada. Aunque el punto de ebullición disminuye con el aumento de la altitud, no es suficiente para afectar el proceso de desinfección. ^{[8] [12]}

Hervir es el método de cocinar alimentos en agua hirviendo u otros líquidos a base de agua, como caldo o leche . ^[13] Hervir a fuego lento es hervir suavemente, mientras que en el escalfado el líquido de cocción se mueve pero apenas burbujea. ^[14]

El punto de ebullición del agua se considera típicamente 100 °C (212 °F; 373 K), especialmente al nivel del mar. La presión y un cambio en la composición del líquido pueden alterar el punto de ebullición del líquido. Cocinar a gran altitud generalmente lleva más tiempo ya que el punto de ebullición es una función de la presión atmosférica . A una altitud de aproximadamente una milla (1,600 m), el agua hierve a aproximadamente 95 °C (203 °F; 368 K). ^[15] Dependiendo del tipo de alimento y la altitud, el agua hirviendo puede no estar lo suficientemente caliente para cocinar los alimentos correctamente. ^[16] De manera similar, aumentar la presión como en una olla a presión aumenta la temperatura del contenido por encima del punto de ebullición al aire libre. ^{[ cita requerida ]}

También conocido como "cocción en bolsa", este método consiste en calentar o cocinar alimentos ya preparados, que se encuentran dentro de una bolsa de plástico gruesa. La bolsa que contiene los alimentos, a menudo congelados, se sumerge en agua hirviendo durante un tiempo determinado. ^[17] Los platos resultantes se pueden preparar con mayor comodidad, ya que no se ensucian ollas ni sartenes en el proceso. Este tipo de comidas se pueden preparar tanto para acampar como para comer en casa.

A cualquier temperatura dada, las moléculas de un líquido tienen energías cinéticas variables. Algunas partículas de alta energía en la superficie del líquido pueden tener suficiente energía para escapar de las fuerzas de atracción intermoleculares del líquido y convertirse en gas. Esto se llama evaporación.

La evaporación sólo ocurre en la superficie, mientras que la ebullición se produce en todo el líquido. Cuando un líquido alcanza su punto de ebullición, se forman burbujas de gas en su interior que suben a la superficie y estallan en el aire. Este proceso se llama ebullición. Si el líquido en ebullición se calienta más fuertemente, la temperatura no aumenta, pero el líquido hierve más rápidamente.

Esta distinción es exclusiva de la transición de líquido a gas; cualquier transición directa de sólido a gas siempre se denomina sublimación, independientemente de si se produce en su punto de ebullición o no.

• Transición de fase
• Diagrama de fases
• Entalpía de vaporización
• Ebullición explosiva
• Tiempo de recuperación (culinaria)

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