Cocciones en aguas turbulentas

La mayoría de nosotros hervimos agua casi cotidianamente. No en vano empezamos el día con un café o un té, en cuya preparación más o menos meticulosa, necesitamos llevar el agua a ebullición. Y, como en otras actividades cotidianas, el hervir agua nos proporciona una serie de experiencias o hechos sobre los que rara vez nos hacemos preguntas. Forman parte de manera tan ostensible de nuestro panorama habitual que nos acostumbramos a ellas casi como a respirar.

Y asi, por ejemplo, todos somos conscientes del curioso crepitar que aparece anticipar que aquello se va a poner a hervir de forma inmediata. O la desagradable experiencia de añadir un sobre de café soluble a un recipiente con agua en ebullición, recien sacado de un microondas, para comprobar que la mezcla se convierte en una especie de surtidor que trata de salirse del recipiente y que, si nos descuidamos, nos escalda. Pero detrás de todo ello hay una razón aunque, en muchos casos, no fácil de entender ni de explicar. Una alerta de Physorg.com, no precisamente muy bien redactada, me hizo exprimirme las entendederas para comprender de manera razonable, los procesos implicados en una aparentemente simple ebullición.

Cuando ponemos un cazo de agua fría sobre un hornillo a alta temperatura, es evidente que el agua del fondo se calienta antes que la de la superficie y cabría pensar que, en poco tiempo, ese agua más profunda pudiera alcanzar la temperatura suficiente como para ponerse a hervir. Pero las cosas son algo más complicadas. El agua del fondo, al calentarse, es menos densa (por estar caliente) que el agua de las capas superiores y esa diferencia de densidad le obliga a subir hacia la superficie, siendo reemplazada en el fondo por nuevas moléculas de agua más fría, en un fenómeno que se conoce como convección y que es visible a simple vista. De forma y manera que, mediante esa convección, hay un transporte de calor desde el fondo hacia el resto del recipiente.

Si seguimos dando calor llega un momento que aparecen burbujas. Las primeras burbujas que se forman suelen ser debidas al aire que hay disuelto en el propio agua o que se encuentra atrapado en las irregularidades de las paredes del recipiente. Si alguien quiere hacer la prueba, no tiene más que hervir agua en una sartén recién comprada o en una que tenga el fondo rayado, y verá que hay diferencias sustanciales en el número de burbujas generadas. Alcanzada una cierta temperatura, a esas burbujas no les queda más remedio que emigrar hacia las zonas altas del recipiente y salir al exterior del líquido, llevándose una parte del calor que les hemos suministrado. Esas burbujas no son eternas. Si el proceso de calentamiento continúa, llega un momento en el que eliminamos casi todo el aire disuelto y con él la posibilidad de generar nuevas burbujas de aire. Si dejamos enfriar el agua y lo intentamos de nuevo, el número de burbujas de aire que se forman es casi inapreciable.

Cuando la cantidad de calor que suministramos es todavía mayor, el agua líquida comienza a experimentar un cambio de estado a la fase de vapor, mucho más apreciable en la zona del fondo. Como consecuencia de la menor densidad del vapor con respecto al líquido, se generan burbujas que contienen vapor de agua y que, como las del aire, tienden a subir. Al principio, tras subir una cierta altura, se encuentran con zonas más frías en las que el vapor no puede vivir como tal. El vapor tiende a licuar y ello genera una implosión (explosión hacia adentro), con lo que las burbujas estallan antes de llegar a la superficie. Ese es el origen del ruido justo antes de la ebullición continuada.

Pero llega un momento en el que, si el aporte de calor es suficiente, las burbujas de vapor pueden llegar hasta la superficie y salir al espacio exterior que, de este modo, recibe el aporte del calor y de las moléculas de vapor existentes en esas burbujas. De este modo, y en un régimen más o menos turbulento, suelen transcurrir la mayor parte de las cocciones que realizamos a diario en nuestras cocinas. Proceso en el que no suele tener mucho objeto liarnos a hacer cálculos ingenieriles más o menos complicados sobre la cantidad de energía consumida al efecto. Y las eléctricas haciendo caja y calladas como muertos.

Sin embargo, en ámbitos algo más grandes que los de la propia cocina de cada ciudadano, la eficiencia en la transferencia de calor que supone la ebullición si suele tenerse en cuenta. Y en ese sentido, es bien conocido que cuanto más turbulenta es una ebullición, mayor es la cantidad de calor necesaria para hervir la misma cantidad de un líquido. También se sabe que cualquier proceso que provoque una creación continua de burbujas de pequeño tamaño genera un modo de ebullición mucho más ordenado y mucho más eficiente. En los laboratorios de Química, muchos químicos viejos acostumbramos a poner en el fondo de un recipiente, en el que vamos a hervir un líquido para destilarlo, pequeños trozos de cerámica o de ladrillos para conseguir que desde sus poros se genere una continua corriente del aire alli atrapado y favorecer así una ebullición ordenada. El mismo efecto, aunque pueda parecer lo contrario, es la ebullición casi explosiva cuando a un agua recién sacada del microndas le añadimos las finísimas partículas de un cafe soluble. La cantidad de aire atrapada es muy grande y al estar el agua muy caliente su salida es casi instantánea.

La noticia de Physorg que mencionaba arriba, relataba el curioso descubrimiento de un grupo del Rensselaer Polytechnic Institute en el que, tras depositar una finísima capa de nanovarillas de cobre sobre la superficie de un recipiente del mismo metal, observaron un crecimiento espectacular del número de burbujas formadas durante la ebullición, con el consiguiente aumento en la eficacia en la transmisión de calor durante la ebullición o, lo que es lo mismo, el descenso pertinente en el gasto energético. La noticia explicaba poéticamente que el "bosque" de nanoobjetos atrapa una ingente cantidad de aire que favorece la creación de burbujas y la eficiencia de la ebullición.

Los investigadores han visto más aplicaciones a su descubrimiento y andan dándole vueltas a aplicarlo en la refrigeración de los cada vez más pequeños chips de los ordenadores, cuyas interconexiones son también de cobre, así que lo tienen a huevo....