FABRICANDO NUBES (o PV=nRT)
Al contrario de lo que mucha gente piensa, las nubes no están
formadas por agua en estado gaseoso, sino por agua en estado líquido
en forma de gotas diminutas (miles de veces más pequeñas que una
gota de lluvia).
Aquí podemos ver una imitación de la formación de las nubes
utilizando una botella con un poquito de etanol (bastarán unas
gotas) y una bomba de bicicleta. La botella está tapada por un
corcho atravesado por una aguja de hinchar balones a la cual se
acopla la boquilla de la bomba. La botella es de plástico y
además estaba un poco deformada, así que el volumen variará ligeramente y
sería preferible una botella de cristal para mantener el volumen
realmente constante. También estaría bien tener un montaje más
estanco para que no hubiese pérdidas de presión y quizás una llave de paso
que permitiese liberar la presión de forma más cómoda. Para la
próxima vez.
Con solo estos materiales podemos hacer un experimento sencillo
para ilustrar cómo al variar la presión (manteniendo constante el
volumen) la temperatura varía y eso hace que se produzca un cambio
de estado.
El aumento de presión lo conseguimos introduciendo aire con la
bomba dentro de la botella. Primera
Las moléculas que introducimos con la
bomba llevan una energía cinética importante al entrar en la
botella (debido a su velocidad), pero en su interior ya no pueden
seguir moviéndose a la misma velocidad porque chocan con las paredes
del recipiente y con las moléculas de gas que ya están dentro de la
botella y que cada vez están más apelotonadas (no hacen más que
entrar más y más moléculas nuevas en la botella). Estos choques
con las paredes y con otras moléculas del gas interior hace que se
genere calor (energía térmica), lo cual hace que la temperatura
suba y debido a ello la evaporación del etanol será más rápida y
tendremos más etanol en estado gaseoso (a una temperatura más alta
las moléculas de etanol líquido se moverán más rápidamente y se
escaparán con más facilidad del líquido, pasando al gas).
Lo anterior no es más que una aplicación de la Ley de
Conservación de la Energía: si se pierde energía cinética debe
ganarse alguna otra forma de energía, en este caso energía térmica.
Ya sabes: la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma.
En este caso se transforma la energía cinética (movimiento) en
energía térmica (calor) que hace que el etanol se evapore.
Al quitar el tapón hacemos que la presión disminuya
(bruscamente). Se produce una salida repentina del gas hacia al
exterior (el cañonazo que se oye), es decir, una enorme cantidad de
moléculas están saliendo a toda velocidad (con mucha energía
cinética). ¿De dónde sale la energía para hacer que esas
moléculas salgan a toda velocidad de la botella? Recordando de nuevo
la Ley de Conservación de la Energía podemos imaginar que parte de
la energía térmica contenida en la botella se transforma en energía
cinética de las partículas que salen despedidas. Esa pérdida de
energía térmica es la que origina un descenso de la temperatura en
el interior de la botella y la subsiguiente condensación del etanol
gaseoso en forma de diminutas gotitas líquidas suspendidas en el
aire del interior de la botella. Tenemos así una nube de etanol.Si de nuevo tapamos la botella y aumentamos la presión con la bomba, haremos que suba la temperatura y por lo tanto las gotitas de etanol volverán a pasar a estado gaseoso, desapareciendo la nube.
Segunda:
Sería interesante llevar a cabo otra comprobación: Si hacemos que la presión aumente sin que se produzca la entrada de más aire en el recipiente, ¿observaremos lo mismo? Yo creo que sí. ¿Cómo podríamos llevar a cabo ese aumento de presión? Lo más fácil sería disponer de un émbolo con el que pudiésemos reducir el volumen del recipiente o aumentarlo, a voluntad. Al reducir el volumen (sin que se produzca salida de gas) aumentaría la presión, mientras que al aumentar el volumen (sin entrada de gas) la presión disminuiría. Sería interesante comprobar si en el primer caso podemos medir un aumento de la temperatura y en el segundo una disminución de la temperatura (y observar en este segundo caso la formación de la nube por condensación). Yo diría que sí que ocurrirá, siempre y cuando seamos capaces de aumentar la presión todo lo requerido (de lo cual no estoy seguro). ¿Cómo se explicaría en este caso lo que ocurre al reducir el volumen? Así: al tener menos espacio para las mismas moléculas éstas chocarán más con las paredes del recipiente (aumentando de este modo la presión sobre ellas) y chocarán también más entre sí. En esos choques las moléculas perderán parte de su energía cinética, que se transformará en calor. El resto es idéntico a la explicación anterior.
Aclaración técnica: Todo esto está explicado pensando en condiciones reales y no ideales, en concreto si dejamos
de lado choques totalmente elásticos y otras fantasías que no ocurren en la realidad.
Para entenderlo todo mejor os recomiendo encarecidamente volver a ver el vídeo que aparece en este enlace TCM y cambios de estado.
Obviamente, las nubes de la atmósfera también desaparecen por un efecto muy distinto: cuando las microgotas de agua líquida de una nube se unen unas con otras se forman gotas mayores que acaban cayendo en forma de lluvia.
Notas curiosas:
1.-Evidentemente, todo esto está relacionado no solo con la Ley
de Conservación de la Energía (¿algo no lo está?) sino también
con la Ley de los Gases, cuya formulación matemática es la famosa
ecuación
PV=nRT
donde P es la presión, V es el volumen, n es un número fijo (el
número de Avogadro o número de moléculas que hay en un mol de una
sustancia, que es más o menos un 6 seguido de 23 ceros) y R es otro
número fijo (la constante de los gases, que es más o menos 0,1 si
medimos la presión en atmósferas, el volumen en litros y la
temperatura en K). Por eso el título del vídeo también podría haber sido PV=nRT.
Bueno, esto quizás no te parezca muy interesante,
pero ahora viene lo bueno: El destino quiso que quien grabó con la
cámara de vídeo este experimento se llame Paula Vázquez
(PV!!!!!!), que se dedicó a grabar el experimento, pero también el suelo, el techo y las paredes, así que el vídeo se podría titular también “Paula
Vázquez, igual no Ruedes Todo (PV=nRT)”. Muchas gracias por tu ayuda Paula. Y la próxima vez espero que te animes a ponerte tú delante de la cámara, que te sale muy bien.
2.- Considero que la Ley de la Conservación de la Energía (“la
energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”) es la
segunda más importante de la Física. La primera para mí es la Ley
de la Conservación de la Suciedad (“el polvo no se crea ni se
destruye, solo se desplaza de un sitio a otro”), que también se
puede enunciar como Principio de Imposibilidad de la Limpieza (“es
imposible eliminar la suciedad; solo se puede pasar de la mesa al
trapo, del trapo al agua, etc.). Pero esto solo es una opinión
personal :-DD
3.- El etanol del botiquín de casa es tóxico e irritante, tanto
en estado líquido como en estado gaseoso, así que hay que manejarlo
con cuidado. Se utiliza para desinfectar objetos porque mata a las
células bacterianas, pero también mata a las nuestras, así que no
debe utilizarse para desinfectar heridas. Esto no es una opinión
personal. Es muy serio.
4.- Para los muy técnicos: Además de lo anterior ocurrirá otro efecto en
sentido contrario: al aumentar la presión (tanto la presión total por
entrada de más aire, como la presión parcial de etanol debido a la
evaporación de éste) la evaporación de más etanol estará desfavorecida y
estará favorecida su condensación, pero este efecto debe ser mucho
menor que el debido al aumento de la temperatura (a las presiones a las que estamos trabajando)
5.- ¿Qué tal saldrá si en lugar de etanol empleamos agua? Seguramente un poco peor, porque el etanol es más volátil que el agua (es decir, se evapora con más facilidad, o lo que es lo mismo, se evapora más rápidamente a una temperatura dada).
valla crack el iñaki es el mejor profesor jajajaajaja crak
ResponderEliminarFalta de comunicación tenemos en nuestro Centro. Todo el día allí metidos y pocos conocen el trabajo de los de al lado. Enhorabuena también por tu blog Iñaki! Me encantó!
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