El movimiento de las gotas de agua en una superficie caliente, conocido como ‘El efecto Leidenfrost’, es causado por la creación de una capa de vapor entre el líquido y la superficie, lo que permite que las gotas se mantengan en suspensión.
Cuando cocinamos, a menudo es necesario determinar si una sartén está suficientemente caliente. Un método confiable es rociar gotas de agua sobre la sartén. Si las gotas se convierten inmediatamente en vapor, la sartén está caliente pero no lo suficiente. Sin embargo, si las gotas flotan y se mueven antes de evaporarse, indica que la sartén está extremadamente caliente y lista para experimentos culinarios.
Esta técnica simple se ha utilizado en los hogares durante mucho tiempo, pero plantea una pregunta. Dado que sabemos que el agua se evapora aproximadamente a 100°C, uno esperaría que se evapore aún más rápido a temperaturas más altas. Entonces, ¿por qué el agua líquida se mueve y flota en superficies que están significativamente más calientes que su punto de ebullición?
¿Qué le sucede al agua en una superficie caliente?
El punto de ebullición del agua es aproximadamente 100oC al nivel del mar, pero ¿por qué hierve el agua a esta temperatura específica? La temperatura es una medida de la energía cinética de las partículas. Entonces, a temperaturas más altas, las partículas tienen más energía cinética. Como resultado, se mueven con más vigor, rompen sus enlaces con más facilidad y gradualmente se expanden hacia un estado de vapor. Por eso, el agua se vaporiza cuando entra en contacto con un cuerpo cerca de su punto de ebullición.
Si colocas una gota de agua líquida en una superficie que está ligeramente más fría que su punto de ebullición, la gota se expandirá y se calentará lentamente. Sin embargo, si la superficie está alrededor del punto de ebullición, la gota se evapora casi instantáneamente con un sonido sibilante.
El agua hirviendo en una superficie caliente (Crédito de la foto: chaoss/Shutterstock)
Ahora, ¿qué sucede cuando la superficie está mucho más caliente que el punto de ebullición del agua? ¿Se vaporiza inmediatamente? Bueno, sí y no.
A una temperatura significativamente más alta que el punto de ebullición del líquido, ocurre algo interesante.
Dado que la superficie está extremadamente caliente, tan pronto como la base de la gota de agua toca la superficie caliente, se vaporiza. Esta vaporización inmediata crea una capa de vapor entre el agua líquida y la superficie calentada. Este proceso se conoce como ‘ebullición en película’ y es la razón detrás del ‘efecto del agua bailarina’, también conocido como El efecto Leidenfrost.
El efecto Leidenfrost
Este fenómeno ocurre cuando un líquido entra en contacto con una superficie que está mucho más caliente que su punto de ebullición.
Una gota de agua en una superficie extremadamente caliente que demuestra el efecto Leidenfrost. (Crédito de la foto: Cryonic07/Wikimedia Commons)
El efecto Leidenfrost fue descrito por primera vez por el teólogo alemán Johann Gottlob Leidenfrost en la década de 1750 en un manuscrito llamado Un tratado sobre algunas cualidades del agua común. Mientras realizaba experimentos colocando gotas de agua en una cuchara de hierro al rojo vivo, notó algo fascinante; en lugar de hervir de inmediato, las gotas parecían permanecer en la cuchara. De hecho, parecía que las gotas absorbían calor de la superficie al rojo vivo.
¿Qué causa el efecto Leidenfrost?
La capa de vapor creada durante la ebullición en película es responsable del efecto Leidenfrost;
En primer lugar, la barrera gaseosa actúa como un aislante térmico. La conductividad térmica del vapor de agua es casi 20 veces menor que la del agua líquida. Por lo tanto, la capa de vapor evita la transferencia adicional de calor desde la superficie a la capa líquida. Por eso, la gota de agua permanece en estado líquido incluso a temperaturas tan altas, pero eventualmente, las capas inferiores se vaporizan y la gota desaparece gradualmente.
El efecto Leidenfrost (Crédito de la foto: Vystrix Nexoth/Wikimedia Commons)
La capa de vapor formada tiene un espesor de aproximadamente 0,2 mm en el centro y 0,1 mm en los bordes. A pesar de ser delgada, esta capa ejerce una presión ascendente que mantiene la gota de líquido flotando. Cuando se observa, parece como si la gota de agua estuviera levitando mágicamente sobre la superficie caliente.
Además, la capa de vapor también es susceptible a perturbaciones. Debido a la gota de agua flotando sin esfuerzo sobre una almohadilla de gas, la cantidad de fricción se reduce significativamente. Como resultado, incluso un pequeño golpe o una ligera inclinación pueden hacer que la gota se mueva rápidamente sobre la superficie. Esto explica por qué las gotas levitantes parecen moverse al azar sobre la superficie.
La temperatura a la que ocurre el Efecto Leidenfrost para un líquido se conoce como su punto de Leidenfrost. Este punto puede variar dependiendo de las propiedades del líquido y de la superficie con la que está en contacto. Para el agua líquida, el Efecto Leidenfrost puede ocurrir a temperaturas que van desde aproximadamente 170oC a 220oC.
¿Pueden otros líquidos también mostrar este efecto? El Efecto Leidenfrost puede ocurrir con cualquier líquido que se vierta sobre una superficie que tenga una temperatura más alta que su punto de ebullición. De hecho, hay algunos experimentos científicos fascinantes que aprovechan este increíble fenómeno.
Uno de estos experimentos es el Experimento de Plomo Fundido. ¿Alguna vez has presenciado a personas sumergiendo sus manos en plomo fundido y luego sacándolas sin sufrir quemaduras? El secreto detrás de esto es el Efecto Leidenfrost.
La temperatura del plomo fundido puede variar de 300 a 400oC, lo cual es significativamente más alto que el punto de ebullición del agua. Antes de sumergir sus manos en el plomo, las personas primero humedecen sus manos sumergiéndolas en agua líquida. Además, cuando la mano se sumerge en el plomo fundido, el agua presente en la mano crea una capa de vapor que funciona como un guante protector, evitando que se queme. Sin embargo, este experimento puede volverse extremadamente peligroso si la mano permanece en el plomo fundido durante un período de tiempo prolongado.
Nitrógeno líquido
El nitrógeno líquido es otro líquido que muestra fácilmente el efecto Leidenfrost. Cuando se vierte sobre una superficie a temperatura ambiente o se derrama en el aire, el nitrógeno líquido parece deslizarse sin esfuerzo por la superficie como cuentas de vidrio. Esto demuestra perfectamente el efecto Leidenfrost. El punto de ebullición del nitrógeno líquido es aproximadamente -196oC. Como resultado, la temperatura normal ambiente (20oC) es significativamente más alta que el punto de ebullición del nitrógeno, lo que provoca que el nitrógeno líquido experimente ebullición de película en condiciones normales.
Efecto Leidenfrost demostrado por nitrógeno líquido (Crédito de la foto: Forance / Shutterstock)
Aplicaciones del Efecto Leidenfrost
Además de su uso en impresionantes demostraciones científicas, ¿tiene el Efecto Leidenfrost alguna aplicación práctica? ¡Absolutamente! De hecho, este fenómeno encuentra aplicaciones en varios campos, desde impresoras de inyección de tinta hasta reactores nucleares.
Los reactores nucleares utilizan intercambiadores de calor de agua para regular sus temperaturas. En este contexto, el Efecto Leidenfrost puede ser problemático.
Si los reactores se calientan demasiado, se produce ebullición de película, lo que lleva a la formación de una capa de vapor que dificulta la transferencia de calor del reactor al agua. Esto reduce la eficiencia del intercambiador de calor y afecta el funcionamiento adecuado del reactor. Por lo tanto, en los reactores nucleares es crucial controlar el Efecto Leidenfrost para prevenir desastres nucleares, como el que ocurrió en Fukushima.
Además, se están llevando a cabo estudios exhaustivos sobre el Efecto Leidenfrost para comprender mejor sus propiedades de levitación y movimiento, lo que puede ser fundamental para desarrollar mecanismos de autopropulsión.
También podemos utilizar el Efecto Leidenfrost para manipular el movimiento de los fluidos. Los científicos han descubierto que al crear crestas afiladas en una superficie caliente, las gotas pueden moverse hacia arriba por las crestas, similar a subir una escalera.
Además, se utilizan laberintos especialmente diseñados que consisten en superficies acanaladas y recubrimientos hidrofóbicos para guiar las gotas de agua a lo largo de rutas deseadas. Este movimiento controlado de fluidos tiene aplicaciones interesantes en la generación de corriente eléctrica y la dinámica de fluidos. Por lo tanto, el potencial futuro del Efecto Leidenfrost es ilimitado.
El Efecto Leidenfrost ejemplifica la naturaleza peculiar de la ciencia y la termodinámica. Ahora que comprendes los principios científicos que subyacen a este fascinante fenómeno, ¡tienes la capacidad de hacer que las gotas de agua leviten y bailen a tu comando!