Cualquiera que haya pasado el suficiente tiempo entre fogones habrá contemplado un curioso comportamiento de las gotas de agua cuando caen sobre una superficie extremadamente caliente. En vez de evaporarse al instante, las gotas se desplazan sobre la superficie durante un rato antes de desaparecer. Ese comportamiento se debe al denominado efecto Leidenfrost.
Este efecto, consiste en el fenómeno que genera una capa de vapor alrededor de un líquido, cuando este se encuentra con una superficie con una temperatura significativamente mayor que el punto de ebullición de este líquido. El efecto es paradójico porque implica que el agua tarda más en evaporarse cuando las temperaturas están en realidad muy por encima del punto de ebullición.
Cuando sobre una superficie metálica a alta temperatura se coloca una gota de agua, alcohol o cualquier otro líquido volátil, la gota no se evapora, se convierte en una bolita que da vueltas erráticamente sobre esta superficie, hasta que finalmente se evapora.
Este efecto lo podréis comprobar en la cocina, especialmente si utilizáis cazuelas de fondo grueso, si cuando están calientes sacudís vuestra mano previamente mojada con agua, sobre su superficie se generan unas bolitas que dan vueltas por ella hasta que terminan evaporándose.
La persistencia de las gotas de agua sobre superficies a altas temperaturas fue descrita por el físico alemán Johann Gottlieb Leidenfrost, quien colocó pequeñas gotas de agua en una cuchara metálica al rojo incandescente, la cual estaba sometida constantemente al fuego. Observó que una vez que la cuchara había adquirido el color rojo, al colocar una gota, ésta permanecía líquida durante un minuto aproximadamente.
Entre los años 1.798 y 1.884 Pierre Hippolyte Boutigny estudió el efecto Leidenfrost, pensó que estas gotas que rotaban sobre la superficie caliente era un nuevo estado de la materia, estado al que denominó “estado esferoidal”.
El efecto se explica de la siguiente forma:
Si la superficie caliente tiene una temperatura inferior a los 100ºC, el agua se aplana y se evapora paulatinamente.
Si la superficie caliente supera los 100ºC, las gotas emiten un pequeño silbido y se evaporan rápidamente.
Cuando la temperatura de la superficie caliente supera el punto de Leidenfrost se forman una serie de pequeñas bolitas, que rotan arbitrariamente sobre ella y se evaporan lentamente.
Aunque la temperatura del efecto Leidenfrost no es muy concreta, ya que depende de infinidad de factores tales como las propiedades de la superficie y las impurezas del líquido, el efecto de la bolita en la cacerola generado por una gota de agua andaría alrededor de los 193ºC.
Si la temperatura de la superficie caliente es muy superior a la temperatura Leidenfrost, las gotas se evaporan tan rápido, que no da tiempo a que se produzca ese efecto.
La explicación del efecto de las bolitas es muy simple, las gotas tocan la superficie caliente, su parte inferior se vaporiza instantáneamente creando un gas que eleva el resto de la gota, dejando la gota encima del gas generado (vapor de agua).
Teniendo en cuenta que el vapor tiene una conductividad térmica baja, aísla el agua de la fuente de calor, retardando su evaporación, formando las bolitas sobre las que os escribía con anterioridad.
Sir William Fairbairn, diseñador de la caldera de vapor en la época victoriana se refirió a este efecto en referencia al efecto sobre la reducción de la transferencia del calor desde el hierro caliente al agua.
Según sus citas sobre el trabajo de Pierre Hippolyte Boutigny y del profesor del King’s College, Sir William Browman afirmo lo siguiente sobre las gotas de agua:
- A 168ºC, una gota de agua se evapora casi instantáneamente.
- A 202ºC, una gota de agua tarda en evaporarse 152 segundos.
El punto Leidenfrost se puede considerar como la temperatura para la cual la gota flotando dura más tiempo.
Una forma fácil y rápida de comprobar el efecto Leidenfrost es echando unas gotas de agua sobre una sartén caliente: las gotas tardan menos tiempo en evaporarse cuando la sartén está menos caliente que cuando la sartén se pone más caliente y se supera el punto de Leidenfrost: entonces las gotas de agua se vuelven locas, pero sobreviven sobre la sartén, sin evaporarse, durante más tiempo.
En la imagen número 4 ver cómo la bola permanece muy caliente durante un tiempo en el que no pasa nada y de repente sale una columna de vapor y la bola se enfría casi al momento.
Esto es debido al efecto Leidenfrost: al ser la temperatura de la bola mucho mayor que el punto de ebullición del agua, el agua alrededor de la bola se evapora casi instantáneamente, tan rápidamente que el vapor se queda atrapado entre la superficie caliente y el agua no evaporada. Ese vapor actúa como aislante térmico que aísla el calor de la bola del resto del agua.
Más tarde la temperatura de la bola desciende, el agua ya no se evapora tan rápidamente y la capa de vapor se pierde. Desaparece el efecto aislante y el agua entra en contacto directo con la bola haciendo que se enfríe más rápidamente, casi de repente.
El efecto Leidenfrost es también la razón por la que podemos salir relativamente indemnes tras tocar un material fundido a altísimas temperaturas siempre y cuando tengamos las manos mojadas y el contacto sea muy breve (imagen 5). El vapor del agua crea una película que nos salva de tocar el material durante unas décimas de segundo. Sucede lo mismo al introducir la mano en nitrógeno líquido, ya que su mano se encuentra a una temperatura muy por encima del punto de Leidenfrost. Así, cuando la introduce, una fina capa de nitrógeno alrededor de su mano se vaporiza instantáneamente y la protege durante un pequeño intervalo de tiempo de una congelación segura.
Temática sugerida por: Francisco Van Schuerbeck
Fuentes:
