25 mar. 2010

Una explicacion cientifica a un acto cotidiano ....Soplar para enfriar la sopa

Una de las primeras cosas que aprendemos de niños, es a soplar sobre la comida cuando está muy caliente, para que se enfríe más rápido. Supongo que casi todo el mundo, cuando le ponen delante una sopa muy humeante, sopla un poco sobre la primera cucharada antes de probarla. Es algo tan extremadamente simple, pero ¿se han preguntado alguna vez la física que hay detrás?

El calor
Como todos sabemos, el calor es una forma de energía (bueno, hay una pequeña diferencia que comentaré más adelante). Las moléculas, átomos y partículas elementales que forman la materia, no están quietas sino en movimiento. Podemos pensar en el calor como en la energía cinética de las partículas que forman un cuerpo. Cuanto más se mueven las partículas, más calor posee el cuerpo.

Hay una importante diferencia entre calor y temperatura que conviene tener presente. La temperatura sólo nos indica la velocidad media de las partículas. El calor, sin embargo, depende de la velocidad y del número de partículas. Es decir, cuanto más masa, más calor. Siendo estrictos, esto que estoy describiendo se llama realmente energía interna. En física, el calor es la transferencia de esta energía interna. Así, un cuerpo no tiene calor, sino energía interna, que es modificada perdiendo o absorbiendo calor.

Transferencia de calor
Hay básicamente tres formas de trasmisión de calor: por radiación, por conducción y por convección.
Todo cuerpo, por el mero hecho de estar a una temperatura superior al cero absoluto (equivalente a -273,15 ºC, temperatura en la que teóricamente todas las partículas se detienen por completo, y que el Tercer Principio de la Termodinámica nos dice que es inalcanzable), emite calor en forma de radiación electromagnética. Las partículas en movimiento, pierden paulatinamente su energía interna, que es desprendida en forma de fotones. También ocurre al contrario, una partícula puede aumentar su energía interna al absorber un fotón, de forma que un cuerpo puede ser calentado mediante radiación electromagnética, si es de la frecuencia adecuada.
Esto es la transmisión de calor por radiación, y a temperatura ambiente sucede sobre todo en la banda de infrarrojos. Puesto que la transferencia se realiza por radiación electromagnética, no es necesario ningún medio y puede ocurrir en el vacío. Así es como el calor del Sol llega a nuestro planeta.
La transmisión por conducción ocurre dentro de un mismo cuerpo, o cuando dos cuerpos entran en contacto. Si la temperatura de dos regiones es distinta, la de mayor temperatura cede calor a la de menor temperatura, hasta que ambas se igualan. Las partículas correspondientes a la zona de más temperatura se mueven más deprisa que las de menor temperatura. Al colisionar unas con otras, las más energéticas ceden parte de su energía a las menos. Podemos pensar en una analogía imaginando bolas de billar moviéndose sobre una mesa. Una bola veloz golpea una más lenta, de forma que la veloz se frena un poco, y la lenta se acelera.
La conducción de calor no es la misma en todos los materiales ni en todas las condiciones. Un metal, por ejemplo, conduce mejor el calor que la madera; por eso es mejor utilizar un cucharón de madera para remover el contenido de una olla en el fuego. Un gas, conduce mejor el calor si se ve sometido a más presión (podemos pensar que las partículas están más juntas, y favorecemos sus colisiones). Además, la transmisión por conducción es más rápida cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas.
Finalmente, la transmisión por convección sucede en el seno de fluidos, como el agua o el aire. Como sabéis, el calor dilata los cuerpos, es decir, hace aumentar su volumen. La masa permanece inalterada, por lo que la densidad (masa dividido entre volumen) disminuye con la temperatura, y por tanto, dentro de un mismo fluido, las zonas calientes tienden a flotar sobre las frías. Si la fuente de calor está en la parte de abajo, el fluido caliente ascenderá, cediendo su calor a las zonas más frías, enfriándose por tanto, por lo que volverá a descender, se volverá a calentar, y así sucesivamente. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, en cualquier olla con líquido que ponemos sobre un fogón. Fíjense  que parte de la transferencia se realiza porque es la propia materia la que se desplaza.

Convección forzada
Imaginemos que dirigimos un chorro de aire hacia la sopa. Con esto estamos produciendo dos efectos:
Por un lado, al aire caliente de alrededor de la sopa es sustituido por aire frío, a un ritmo mucho mayor que el debido a la convección. En condiciones normales, el aire de alrededor de la sopa está más caliente que el resto. Sin embargo, al producir una corriente de aire, estamos renovando el aire sin permitir que se caliente demasiado. Así, mantenemos una diferencia de temperaturas mayor entre la sopa y el aire de alrededor.
Por otro lado, el aire que golpea la sopa está sometido a una mayor presión, lo cual favorece también la transferencia de calor. Podemos pensar que dado que hay más moléculas de aire en contacto con la sopa, roban más calor.
A esto se le conoce como convección forzada, y podemos ver que la transferencia de calor es mayor cuanto mayor sea la velocidad del aire. Este fenómeno es causa (en parte) de la diferencia entre la temperatura ambiente y la llamada sensación térmica. Todos sabemos que a una misma temperatura ambiente, el hecho de que sople viento o no, supone una diferencia importante en nuestra sensación de frío o calor. Es algo que hemos experimentado a lo largo de nuestra vida. Eso es debido a que nuestra piel no es sensible a la temperatura, sino al ritmo de pérdida de calor. A la misma temperatura, con viento perdemos más calor que sin él, y sentimos más frío. Además, podemos notar como sentimos más frío en las zonas orientadas a la procedencia del viento, debido a que ahí donde nos golpea el aire, la presión de éste es mayor.

Efecto Venturi y efecto Joule-Thomson
Debido a lo anterior, un ventilador es capaz de refrescarnos los días de calor. Pero sería mucho mejor disponer de un equipo de aire acondicionado, ya que el aire que expulsa tiene una temperatura inferior a la del ambiente. Pues bien, eso es más o menos lo que hacemos al soplar.
Uno podría pensar que el aire que expulsamos está más o menos a nuestra temperatura corporal (unos 36 ºC, si no estamos enfermos), y por tanto, no ayudaría demasiado a enfriar la sopa, por ser superior a la temperatura ambiente (es de suponer que nadie se toma una sopa calentita con 40 ºC a la sombra). Y eso sería cierto, si simplemente expulsáramos el aliento con la boca abierta. Cuando soplamos, mantenemos la boca casi cerrada, de forma que el aire se ve obligado a salir por una abertura muy estrecha. El efecto Venturi, nos dice que cuando un gas pasa por un conducto de menor sección, su velocidad aumenta y su presión disminuye. Así que cuando soplamos, el aire sale a mayor velocidad y menor presión que lo haría si simplemente echamos el aliento. Puesto que su presión se ha reducido, al verse fuera de la boca, el aire se expande. El efecto Joule-Thomson nos dice que si un gas se expande libremente, su temperatura disminuye. Por tanto, el aire de nuestro soplido tiene una temperatura inferior a la que cabría esperar.
Esto es algo que podemos comprobar experimentalmente de manera muy simple. Si sostenemos la palma de la mano delante de la boca, y alternativamente soplamos y echamos el aliento, comprobaremos que al soplar, el aire sale más rápido y más frío. Factores ambos que nos ayudan a acelerar la pérdida de calor de la sopa.

Todo junto
Resumamos los fenómenos físicos que ocurren al soplar sobre una sopa. El efecto Venturi acelera el aire de nuestro soplido y produce una convección forzada en el aire que rodea la sopa, acelerando el enfriamento por dos causas: mayor ritmo de renovación de aire, y mayor conducción. El efecto Joule-Thomson lo enfría, evitando que la temperatura del aire expelido sea demasiado alta, cosa que ralentizaría la transferencia por conducción.

Y todo eso, por algo tan tremendamente sencillo como un soplido.


No hay comentarios: