sábado, 9 de enero de 2016

HAND BOILER

Existen múltiples objetos en el mercado, muchas veces llamados juguetes científicos, cuyo curioso comportamiento sirve para mostrar y explicar muchos principios físicos y químicos. Pero no nos equivoquemos, el hecho de llamarlos juguetes científicos no quiere decir que su explicación sea sencilla. En muchas ocasiones hay mucha miga escondida tras estos "sencillos" aparatos.

Uno de estos juguetes científicos es el llamado Hand Boiler o Hervidor de Mano que es un aparato de sencillo diseño que funciona de la siguiente manera:


Lo primero que hay que tener en cuenta es que su nombre puede llevarnos a engaño al tratar de explicar su funcionamiento. En ningún caso el líquido de su interior hierve. La burbujas que se observan en su interior no son debidas al proceso de ebullición. Para demostrarlo, solo hay que tener en cuenta dos ideas:

1. El liquido de su interior es alcohol etílico, cuya temperatura de ebullición es de 78 ºC. Temperatura que no podemos alcanzar con nuestra mano.

2. El proceso de ebullición es el cambio de estado de líquido a gas y se produce en todo el volumen del líquido. Si estuviera hirviendo, veríamos que las burbujas se producen en la esfera inferior donde se encuentra el líquido que, supuestamente, está hirviendo. Pero las burbujas se observan en la esfera superior del  Hand Boiler. 

Entonces, ¿cuál es el principio físico que rige el funcionamiento de este cacharro?... La dilatación del gas que está contenido en su interior. En el interior del Hand Boiler existe, como ya hemos dicho, alcohol etílico, pero no solo en estado líquido sino también en estado gaseoso. Al calentar con la mano la esfera inferior del Hand Boiler aumenta la temperatura del gas, y por tanto, también su presión (ley de Gay-Lussac). En la esfera superior existe también gas pero al no ser calentado su presión es menor que la del gas que se encuentra en la esfera inferior. Por tanto, el gas se expandirá desde la zona de alta presión (esfera inferior) a la zona de baja presión (esfera superior) y en ese desplazamiento "empuja" al líquido. Esas burbujas que aparecen, no hablan de un proceso de ebullición, solo del gas que se está expandiendo.

Probemos dos cosas:

1. ¿Qué ocurriría si cogemos con las manos cada una de las esferas que forman el Hand Boiler?...

2. ¿Qué ocurriría si en la esfera superior colocamos un cubito de hielo?...

Mira el siguiente vídeo con las situaciones planteadas:


En el primer caso, parece que el Hand Boiler no funciona tan bien. El líquido no asciende con la misma facilidad que en casos anteriores. Lo que ocurre es que ahora estamos calentando el gas que se encuentra en las dos esferas, y por tanto, ambos se dilatan. Como en la esfera inferior hay más gas, su presión es mayor pero su expansión ya no es tan fácil porque la diferencia de presión con la zona superior no es tan grande. En el segundo caso, el funcionamiento es idéntico. La diferencia está en que ahora hemos enfriado la esfera superior. Al enfriarla disminuye su presión, y por tanto, el gas de la esfera inferior que se encuentra a mayor presión se desplaza hacia la zona de menor presión y vuelve a "empujar" al líquido en su ascensión.

NOTA: Para mejorar el funcionamiento del Hand Boiler se suelen emplear líquidos volátiles, es decir, líquidos que se evaporan con facilidad (como es el caso del alcohol etílico). Es importante diferenciar entre evaporación y ebullición. Aunque los dos procesos consisten en el paso de líquido a gas, la evaporación es un proceso superficial y a cualquier temperatura y la ebullición es un proceso en todo el volumen y a una temperatura característica. Esa volatilidad hace que al cogerlo con la mano, una pequeña parte del líquido se evapore y exista más gas (que ayuda a que el proceso de dilatación sea más rápido). Pero insisto, por mucho que cojas el Hand Boiler con la mano no conseguirás volatilizar todo el líquido. Sea alcanza un equilibrio entre las dos fases que no lo permite.

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