En termodinámica , el sobrecalentamiento (a veces denominado retardo de ebullición , o retraso de ebullición ) es el fenómeno en el que un líquido se calienta a una temperatura superior a su punto de ebullición , sin llegar a hervir . Este es el llamado 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 calentando agua en el microondas en un recipiente muy liso. Perturbar el agua puede provocar 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 límites 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 ambiental (la presión atmosférica , principalmente). Por debajo de esa temperatura, una burbuja de vapor de agua se encogerá y desaparecerá.
El sobrecalentamiento es una excepción a esta sencilla regla; A veces se observa que un líquido no hierve aunque su presión de vapor exceda la presión ambiental. La causa es una fuerza adicional, la tensión superficial , que inhibe el crecimiento de burbujas. [4]
La tensión superficial hace que la burbuja actúe como un globo elástico. La presión en el interior aumenta ligeramente cuando 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 para superar 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 cuando se infla un globo, lo más difícil es empezar. Resulta que el exceso de presión debido a la tensión superficial es inversamente proporcional al diámetro de la burbuja. [5] Es decir ,.
Esto se puede deducir imaginando un avión cortando una burbuja en dos mitades. Cada mitad es arrastrada hacia el centro con una fuerza de tensión superficial , que debe equilibrarse con la fuerza del exceso de presión . Entonces obtenemos , lo que se simplifica a .
Esto significa que si las burbujas más grandes en un recipiente son pequeñas, de sólo unos pocos micrómetros de diámetro, superar la tensión superficial puede requerir una gran presión , lo que requiere exceder el punto de ebullición en varios grados Celsius. Una vez que una burbuja comienza a crecer, la presión de tensión superficial disminuye, por lo que se expande explosivamente en un circuito de retroalimentación positiva. En la práctica, la mayoría de los contenedores tienen rayones u otras imperfecciones que atrapan bolsas de aire que producen burbujas iniciales, y el agua impura que contiene pequeñas partículas también puede atrapar bolsas de aire. Sólo un recipiente liso de líquido purificado puede sobrecalentarse de forma fiable.
El sobrecalentamiento puede ocurrir cuando un recipiente de agua sin tocar se calienta en un horno de microondas . En el momento de retirar el recipiente, la falta de sitios de nucleación impide la ebullición, dejando la superficie en calma. Sin embargo, una vez que se altera el agua, parte de ella se convierte violentamente en vapor , lo que podría rociar agua hirviendo fuera del recipiente. [6] La ebullición se puede provocar empujando la taza, insertando un dispositivo para agitar o agregando una sustancia como café instantáneo o azúcar. La posibilidad de sobrecalentamiento es mayor con recipientes lisos, porque los rayones o astillas pueden albergar pequeñas bolsas de aire, que sirven como puntos de nucleación . El sobrecalentamiento es más probable después de ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento de un recipiente intacto, como cuando una taza de café olvidada se recalienta sin sacarla del horno microondas. Esto se debe a que los ciclos de calentamiento liberan gases disueltos como oxígeno y nitrógeno del disolvente. Hay formas de evitar el sobrecalentamiento en un horno microondas, como colocar de antemano un objeto no metálico (como una varilla para revolver) en el recipiente o usar un recipiente rayado. Para evitar una peligrosa ebullición repentina, se recomienda no calentar el agua en el microondas durante un tiempo excesivo. [3]
El sobrecalentamiento del líquido de hidrógeno se utiliza en cámaras de burbujas .
