Sobrecalentamiento

En termodinámica , el sobrecalentamiento (a veces denominado retardo de ebullición o retraso de ebullición ) es el fenómeno por el cual un líquido se calienta a una temperatura superior a su punto de ebullición sin hervir . Este es un 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 perturbar el líquido.

Esto puede ocurrir al calentar agua en el microondas en un recipiente muy liso. Al perturbar 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 control 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 ambiente (principalmente la presión atmosférica ). Por debajo de esa temperatura, una burbuja de vapor de agua se contraerá y desaparecerá.

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

La tensión superficial hace que la burbuja se comporte como un globo elástico. La presión interna 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 que supere tanto la tensión superficial como la presión ambiental.

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

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

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${\displaystyle \Delta p}$Para ello, es necesario superar el punto de ebullición en varios grados Celsius. Una vez que una burbuja comienza a crecer, la presión de tensión superficial disminuye, lo que provoca su expansión explosiva en un ciclo de retroalimentación positiva. En la práctica, la mayoría de los recipientes presentan arañazos u otras imperfecciones que atrapan bolsas de aire que sirven de punto de partida para las burbujas, y el agua impura con pequeñas partículas también puede atrapar dichas bolsas. Solo un recipiente liso con líquido purificado puede sobrecalentarse de forma fiable.

El sobrecalentamiento puede ocurrir cuando un recipiente de agua sin perturbar se calienta en un horno microondas . Al retirar el recipiente, la falta de puntos de nucleación impide la ebullición, dejando la superficie en calma. Sin embargo, una vez que el agua se agita, parte de ella se convierte violentamente en vapor , pudiendo expulsar agua hirviendo del recipiente. ^{[ 6 ]} La ebullición puede desencadenarse al agitar la taza, insertar un dispositivo para remover o agregar una sustancia como café instantáneo o azúcar. La probabilidad de sobrecalentamiento es mayor con recipientes lisos, ya que los arañazos 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 sin perturbar, como cuando se recalienta una taza de café olvidada sin retirarla del horno microondas. Esto se debe a que los ciclos de calentamiento liberan gases disueltos como oxígeno y nitrógeno del disolvente. Existen maneras de evitar el sobrecalentamiento en un horno microondas, como introducir una cuchara o un agitador (tenga en cuenta que no es seguro usar utensilios de metal para este fin) en el recipiente antes de usarlo o utilizar un recipiente rayado. Para evitar una ebullición repentina y peligrosa, se recomienda no calentar agua en el microondas durante un tiempo excesivo. ^{[ 3 ]}

Aunque el sobrecalentamiento se suele analizar en el caso de los líquidos, los sólidos cristalinos también pueden sobrecalentarse transitoriamente por encima de su punto de fusión de equilibrio. Los primeros trabajos teóricos sugirieron un límite superior de aproximadamente tres veces la temperatura de fusión, a veces denominado "catástrofe entrópica", más allá del cual un sólido sería termodinámicamente inestable con respecto a la fase líquida. ^{[ 7 ]}

Estudios experimentales posteriores han reportado sólidos que persisten por encima de este límite bajo calentamiento ultrarrápido. Se observó, por ejemplo, que películas delgadas de oro permanecían cristalinas durante más de dos picosegundos al calentarse a velocidades de hasta ~10¹⁵ ^K s⁻¹ ^, lo que corresponde a temperaturas de casi 14 veces el punto de fusión. Esta persistencia se ha atribuido a la velocidad de calentamiento extrema y a la incapacidad de la red para expandirse en escalas de tiempo de picosegundos. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

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

• Vídeo que muestra cómo el agua sobrecalentada en un microondas hierve instantáneamente de forma explosiva: por qué ocurre y por qué es peligroso.
• Bloomfield, Louis A. «Una serie de experimentos con agua sobrecalentada y película de aceite realizados en el microondas por Louis A. Bloomfield, profesor de física de la Universidad de Virginia. El experimento n.º 13 se desarrolla con sorprendente violencia» . Archivado del original el 2 de junio de 2008.
• Vídeo de agua sobrecalentada en una olla.