La ebullición o ebullición es la rápida transición de fase de líquido a gas o vapor ; lo contrario de la ebullición es la condensación . La ebullición ocurre cuando un líquido se calienta hasta su punto de ebullición , de modo que la presión de vapor del líquido es igual a la presión que ejerce sobre el líquido la atmósfera circundante. La ebullición y la evaporación son las dos formas principales de vaporización de líquidos .
Hay dos tipos principales de ebullición: ebullición nucleada , donde se forman pequeñas burbujas de vapor en puntos discretos, y ebullición con flujo de calor crítico , donde la superficie de ebullición se calienta por encima de una cierta temperatura crítica y se forma una película de vapor en la superficie. La ebullición de transición es una forma intermedia e inestable de ebullición con elementos de ambos tipos. El punto de ebullición del agua es de 100 °C o 212 °F, pero es menor debido a la disminución de la presión atmosférica que se encuentra en altitudes más altas.
El agua hirviendo se utiliza como método para hacerla potable al matar los microbios y virus que puedan estar presentes. La sensibilidad de los diferentes microorganismos al calor varía, pero si el agua se mantiene a 100 °C (212 °F) durante un minuto, la mayoría de los microorganismos y virus se inactivan. Diez minutos a una temperatura de 70 °C (158 °F) también son suficientes para inactivar la mayoría de las bacterias. [1]
El agua hirviendo también se utiliza en varios métodos de cocción , como hervir, cocinar al vapor y escalfar .
El flujo de calor más bajo observado en la ebullición sólo es suficiente para provocar [convección natural], donde el fluido más caliente asciende debido a su densidad ligeramente menor. Esta condición ocurre sólo cuando el sobrecalentamiento es muy bajo, lo que significa que la superficie caliente cerca del fluido tiene casi la misma temperatura que el punto de ebullición.
La ebullición nucleada se caracteriza por el crecimiento de burbujas o estallidos en una superficie calentada (nucleación heterogénea), que se eleva desde puntos discretos de una superficie, cuya temperatura es sólo ligeramente superior a la temperatura del líquido. En general, el número de sitios de nucleación aumenta al aumentar la temperatura de la superficie.
Una superficie irregular del recipiente de ebullición (es decir, mayor rugosidad de la superficie) o aditivos al fluido (es decir, tensioactivos y/o nanopartículas ) facilitan la ebullición nucleada en un rango de temperatura más amplio, [2] [3] [4] mientras que una superficie excepcionalmente suave superficie, como el plástico, se presta al sobrecalentamiento . En estas condiciones, un líquido calentado puede mostrar un retraso en la ebullición y la temperatura puede subir un poco por encima del punto de ebullición sin llegar a hervir.
La nucleación homogénea, donde las burbujas se forman a partir del líquido circundante en lugar de en una superficie, puede ocurrir si el líquido está más caliente en su centro y más frío en las superficies del recipiente. Esto se puede hacer, por ejemplo, en un horno microondas, que calienta el agua y no el recipiente.
El flujo de calor crítico (CHF) describe el límite térmico de un fenómeno en el que se produce un cambio de fase durante el calentamiento (como la formación de burbujas en una superficie metálica utilizada para calentar agua ), lo que disminuye repentinamente la eficiencia de la transferencia de calor , provocando así un sobrecalentamiento localizado del superficie de calentamiento. A medida que la superficie de ebullición se calienta por encima de una temperatura crítica, se forma una película de vapor sobre la superficie. Dado que esta película de vapor es mucho menos capaz de alejar el calor de la superficie, la temperatura aumenta muy rápidamente más allá de este punto hacia el régimen de ebullición de transición . El punto en el que esto ocurre depende de las características del fluido en ebullición y de la superficie de calentamiento en cuestión. [3]
La ebullición de transición se puede definir como la ebullición inestable, que se produce a temperaturas superficiales entre el máximo alcanzable en ebullición nucleada y el mínimo alcanzable en ebullición de película.
La formación de burbujas en un líquido calentado es un proceso físico complejo que a menudo implica cavitación y efectos acústicos, como el silbido de amplio espectro que se escucha en una tetera que aún no se ha calentado hasta el punto en que las burbujas hierven hasta la superficie.
Si una superficie que calienta el líquido está significativamente más caliente que el líquido, entonces se producirá una ebullición de película, donde una fina capa de vapor, que tiene baja conductividad térmica , aísla la superficie. Esta condición de una película de vapor que aísla la superficie del líquido caracteriza la ebullición de película .
"Ebullición en piscina" se refiere a ebullición donde no hay flujo convectivo forzado. En cambio, el flujo se produce debido a gradientes de densidad. Puede experimentar cualquiera de los regímenes mencionados anteriormente.
La "ebullición por flujo" ocurre cuando el fluido en ebullición circula, generalmente a través de tuberías. [5] Su movimiento puede ser impulsado por bombas, como en las centrales eléctricas, o por gradientes de densidad, como en un termosifón o un tubo de calor. Los flujos en ebullición de flujo a menudo se caracterizan por un parámetro de fracción vacía, que indica la fracción del volumen en el sistema que es vapor. Se puede utilizar esta fracción y las densidades para calcular la calidad del vapor , que se refiere a la fracción de masa que se encuentra en fase gaseosa. La ebullición por flujo puede ser muy compleja, con fuertes influencias de la densidad, los caudales y el flujo de calor, así como la tensión superficial. Un mismo sistema puede tener regiones que sean líquidas, gaseosas y de flujo bifásico. Estos regímenes de dos fases pueden dar lugar a algunos de los mejores coeficientes de transferencia de calor de cualquier sistema.
La ebullición confinada se refiere a la ebullición en geometrías confinadas, típicamente caracterizadas por un número de Bond que compara el espacio entre espacios con la longitud del capilar. Los regímenes de ebullición confinada comienzan a desempeñar un papel importante cuando Bo < 0,5. Este régimen de ebullición está dominado por "burbujas en el tallo de vapor" que quedan después de que el vapor sale. [6] Estas burbujas actúan como semillas para el crecimiento del vapor. La ebullición confinada generalmente tiene un coeficiente de transferencia de calor más alto pero un CHF más bajo que la ebullición en piscina. La CHF ocurre cuando la fuerza del momento del vapor en la interfaz de dos fases equilibra la tensión superficial combinada y las fuerzas hidrostáticas, lo que lleva a un crecimiento irreversible de la zona seca. [7] La ebullición confinada es particularmente prometedora para la refrigeración de dispositivos electrónicos.
El punto de ebullición de un elemento a una presión determinada es un atributo característico del elemento. Esto también es válido para muchos compuestos simples, incluidos el agua y los alcoholes simples . Una vez que ha comenzado la ebullición y siempre que la ebullición permanezca estable y la presión sea constante, la temperatura del líquido en ebullición permanece constante. Este atributo llevó a la adopción de puntos de ebullición como definición de 100 °C.
Las mezclas de líquidos volátiles tienen un punto de ebullición específico para esa mezcla que produce vapor con una mezcla constante de componentes: la mezcla de ebullición constante . Este atributo permite separar o separar parcialmente mezclas de líquidos mediante ebullición y es mejor conocido como un medio para separar el etanol del agua.
La mayoría de los tipos de refrigeración y algunos tipos de aire acondicionado funcionan comprimiendo un gas para que se vuelva líquido y luego dejándolo hervir. Esto absorbe el calor del entorno enfriando el refrigerador o el congelador o enfriando el aire que ingresa a un edificio. Los líquidos típicos incluyen propano , amoníaco , dióxido de carbono o nitrógeno .
Como método para desinfectar el agua, llevarla a su punto de ebullición a 100 °C (212 °F), es la forma más antigua y efectiva ya que no afecta el sabor, es efectiva a pesar de los contaminantes o partículas presentes en ella, y Es un proceso de un solo paso que elimina la mayoría de los microbios responsables de causar enfermedades relacionadas con el intestino . [8] El punto de ebullición del agua es de 100 °C (212 °F) al nivel del mar y a presión barométrica normal. [9] En lugares que cuentan con un sistema de purificación de agua adecuado , se recomienda solo como método de tratamiento de emergencia o para obtener agua potable en áreas silvestres o rurales, ya que no puede eliminar toxinas químicas o impurezas. [10] [11]
La eliminación de microorganismos por ebullición sigue una cinética de primer orden : a altas temperaturas se consigue en menos tiempo y a bajas temperaturas, en más tiempo. La sensibilidad al calor de los microorganismos varía, a 70 °C (158 °F), las especies de Giardia (que causan giardiasis ) pueden tardar diez minutos en inactivarse por completo, la mayoría de los microbios que afectan el intestino y E. coli ( gastroenteritis ) tardan menos de un minuto. ; en el punto de ebullición, el Vibrio cholerae ( cólera ) tarda diez segundos y el virus de la hepatitis A (provoca el síntoma de ictericia ), un minuto. La ebullición no garantiza la eliminación de todos los microorganismos; Las esporas bacterianas Clostridium pueden sobrevivir a 100 °C (212 °F), pero no se transmiten por el agua ni afectan el intestino. Por tanto, para la salud humana no es necesaria una esterilización completa del agua. [8]
El consejo tradicional de hervir agua durante diez minutos es principalmente por seguridad adicional, ya que los microbios comienzan a eliminarse a temperaturas superiores a 60 °C (140 °F) y llevarla a su punto de ebullición también es una indicación útil que se puede ver sin el ayuda de un termómetro , y en este momento, el agua ya estará desinfectada. Aunque el punto de ebullición disminuye al aumentar la altitud, no es suficiente para afectar el proceso de desinfección. [8] [12]
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Hervir es el método de cocinar alimentos en agua hirviendo u otros líquidos a base de agua como caldo o leche . [13] La cocción a fuego lento es una ebullición suave, mientras que al escalfar el líquido de cocción se mueve pero apenas burbujea. [14]
Normalmente se considera que el punto de ebullición del agua es 100 °C (212 °F; 373 K), especialmente al nivel del mar. La presión y un cambio en la composición del líquido pueden alterar el punto de ebullición del líquido. La cocción a gran altura generalmente lleva más tiempo ya que el punto de ebullición es función de la presión atmosférica . A una altura de aproximadamente una milla (1600 m), el agua hierve a aproximadamente 95 °C (203 °F; 368 K). [15] Dependiendo del tipo de comida y la elevación, es posible que el agua hirviendo no esté lo suficientemente caliente para cocinar la comida adecuadamente. [16] De manera similar, aumentar la presión como en una olla a presión eleva la temperatura del contenido por encima del punto de ebullición al aire libre. [ cita necesaria ]
También conocido como "hervir en bolsa", consiste en calentar o cocinar alimentos preparados sellados en una bolsa de plástico gruesa. La bolsa que contiene los alimentos, a menudo congelados, se sumerge en agua hirviendo durante un tiempo prescrito. [17] Los platos resultantes se pueden preparar con mayor comodidad ya que no se ensucian ollas ni sartenes en el proceso. Estas comidas están disponibles tanto para acampar como para cenar en casa.
A cualquier temperatura dada, las moléculas de un líquido tienen energías cinéticas variables. Algunas partículas de alta energía en la superficie del líquido pueden tener suficiente energía para escapar de las fuerzas intermoleculares de atracción del líquido y convertirse en gas. Esto se llama evaporación.
La evaporación solo ocurre en la superficie, mientras que la ebullición ocurre en todo el líquido. Cuando un líquido alcanza su punto de ebullición se forman en él burbujas de gas que suben a la superficie y estallan en el aire. Este proceso se llama ebullición. Si el líquido hirviendo se calienta con más fuerza, la temperatura no aumenta pero el líquido hierve más rápidamente.
Esta distinción es exclusiva de la transición de líquido a gas; cualquier transición directa de sólido a gas siempre se denomina sublimación independientemente de si se encuentra en su punto de ebullición o no.
