Termodinámica en una taza de café

Además de que sea oscuro, amargo y quita el sueño, el café ofrece un excelente ejemplo para ilustrar algunas propiedades termodinámicas de la materia.

-Por Redacción

2018-11-26
Ciudad de México

Además de que sea oscuro, amargo y quita el sueño, el café ofrece un excelente ejemplo para ilustrar algunas propiedades termodinámicas de la materia. Para ello pensemos primero no propiamente en el café, sino en el calentamiento del agua en la tetera. Estas son algunos de los efectos más sorprendentes:

  1. El agua no necesariamente hierve a 100° C. La temperatura del agua depende no sólo del calor sino también de la presión. El agua sólo hierve a 100°C cuando la presión es de 1 atmósfera , pero esto no siempre es así: a una presión de media atmósfera el agua hierve a 83.3°C y a 0.012 atmósferas ; el agua hierve a 10°C . Esto se debe a que es más fácil separar las moléculas de agua (evaporación) cuando la presión es baja, por eso los alimentos se cuecen más rápido a grandes altitudes, porque la presión es menor. Los cambios de temperatura y presión (cantidad) producen cambios de fase (calidad).
  2. Líquido, sólido y gaseoso no son las únicas fases, ¡existen varias fases intermedias entre ellas! Cuando empezamos a calentar el agua se encuentra a bajas temperaturas y se le denomina líquido subenfriado. Posteriormente la temperatura aumenta hasta llegar a la evaporación y en esta fase una parte del agua permanece en fase líquida, mientras que el resto comienza a evaporarse; a esta fase se le denomina mezcla saturada de líquido-vapor. Una vez que toda el agua se evaporó, si continuamos calentando este vapor a temperaturas mucho mayores el agua alcanza la fase de vapor sobrecalentado.
  3. El agua puede coexistir en fase líquida, sólida y gaseosa. Por extraño que esto parezca, si el agua se encuentra a 0 °C   y a una presión de 0.006 atmósferas, puede estar al mismo tiempo en fase sólida, líquida y vaporosa. A este punto se le denomina punto triple.
  4. Una vez que el agua llega a la evaporación (100° C a 1 atmósfera), aunque la temperatura siga calentándose no aumenta sino hasta la evaporación de la última gota de agua y permanece a 100°C. ¿Por qué se mantiene en 100°, aunque no se retire de la estufa? Porque el calor suministrado se aplicó para evaporar el agua, no para elevarle la temperatura. A este calor oculto o latente se le denomina también entalpía.

El conocimiento de las propiedades termodinámicas del agua y otras sustancias (su presión, volumen y temperatura) en diferentes momentos permite el estudio de los procesos termodinámicos completos (por ejemplo, qué ocurre durante la expansión y comprensión de pistones al calentarse o enfriarse) y el conocimiento de la terna más importante de la termodinámica: calor, trabajo y energía interna; así como las relaciones entre dichas propiedades (Primera Ley de la Termodinámica). Esto tiene aplicaciones prácticas, entre ellas, por ejemplo, cuánto ejercicio o trabajo debe realizarse para quemar una determinada cantidad de grasa (energía), o en el funcionamiento de las máquinas térmicas (motores de combustión, entre otros).

¿Qué es la eficiencia de una máquina térmica? La relación que hay entre el calor que se le suministra a la máquina para que funcione y el trabajo (movimiento) que puede realizar. Si a dos máquinas térmicas se les proporcionan 100 calorías, la más eficiente será la que aporte 50 calorías de trabajo, que la que sólo produjo 20 calorías. En el primer caso la eficiencia fue del 50 por ciento y la de la segunda del 20 por ciento. Contrario a lo que podemos pensar, las eficiencias son muy bajas en la realidad cotidiana: los motores de gasolina alcanzan eficiencias del 30 por ciento, mientras que los de diésel del 40 por ciento. Pero en esto no hay nada raro: la Segunda Ley de la Termodinámica dice que no puede haber máquinas perfectas o, dicho de otro modo, que la eficiencia es siempre menor al 100 por ciento.

La industria moderna y muchos procesos tecnológicos que hoy se aplican no serían posibles sin la aplicación de las ciencias en general y de la termodinámica en particular. La práctica muestra indefectiblemente que el hombre puede conocer la esencia de las cosas, aunque permanezca oculta tras la borra del café