Supercalentamiento y estado metaestable del agua

 (Leído en el blog "curioso pero inútil" hace un montón de años)

Alguien había visto este mensaje en un foro y se lo había mandado a los del blog, para que dijeran qué pensaban:

"Hace 5 días mi hijo de 26 años decidió tomarse una taza de café instantáneo. Puso a calentar en el horno de Microondas algo que había hecho antes en varias ocasiones una taza con agua sola.
No se exactamente por cuanto tiempo lo programo, pero me dijo que quería que el agua hirviera. Cuando el tiempo se acabo, el horno se apago y mi hijo procedió a sacar la taza de microondas.
Mientras miraba la taza se dio cuenta que el agua no estaba hirviendo EN ESE MOMENTO, EL AGUA BROTO DIRECTAMENTE A SU ROSTRO !!! Lógicamente, el soltó el recipiente, pero YA ERA DEMASIADO TARDE. La energia acumulada le OCASIONO QUEMADURAS DE PRIMERO Y SEGUNDO GRADOS y es muy probable que su CARA LE QUEDE MARCADA PARA TODA SU VIDA, ADEMAS DE HABER PERDIDO LA VISTA PARCIAL DEL OJO IZQUIERDO .
Mientras estábamos en el hospital, el doctor que lo atendía comento que este tipo de accidentes eran muy frecuentes y que nunca debe ponerse agua sola a calentar en el microondas. Si se calienta agua de esa forma, siempre se debe poner algo en el agua, (un palito de madera o una bolsita de te), pero si se va calentar solamente agua, es mejor usar la cocina."

Y ésta fue la respuesta dada en el mismo foro, dada por un maestro de física: 

"Gracias por enviarme este mensaje advirtiéndome acerca del agua en el microondas. He sabido de varios casos. Esto es causado por un fenómeno conocido como "super calentamiento". Puede suceder en cualquier momento que el agua se este calentado, especialmente si el utensilio que se esta usando es nuevo.
Lo que sucede es que el agua se calienta mucho mas rápido de lo que las burbujas se comiencen a formar. Si la taza es nueva, no tiene ningún raspón o ranura por donde las burbujas se puedan ir formando y pueda empezar a burbujear el agua que ya esta hirviendo, de tal manera, que el agua se va calentando sobrepasando el tiempo de hervir (como dice hierve...y hierve...y hierve...). Lo que sucede entonces
es que el agua se atora, queda estancada y al contacto con el aire, el agua brota con fuerza por la energía contenida. Es lo mismo que sucede con todas las bebidas carbonatadas. Cuando se agita la botella estando cerrada, al momento de abrirla el liquido brota por la energía acumulada y contenida.

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Se nos pregunta si es cierto lo que en este correo se cuenta, y a ello nos ponemos:
Dictamen rápido: El correo dice la verdad. Pero usa algunos símiles y expresiones que son claramente incorrectos. Maticemos...

1.- Sobre hervores y otras hierbas
El agua, cuando la calentamos en una olla, se calienta más por abajo que por arriba, ya que la fuente de calor está debajo de la olla. El agua caliente tiende a ascender, y el agua fría desciende para ocupar el hueco que aquélla deja. Cuando calentamos agua en una olla se forman corrientes que ascienden por el centro de la olla y descienden por los lados. A esto se le llama convección, y es la convección, entre otros factores, la que ayuda a que el agua empiece a hervir. ¿Se han fijado nuestros lectores en que cuando ponen agua a hervir en un cazo se forman unas burbujitas como de aire en el fondo del mismo? Pues las burbujitas no son de aire. son de vapor de agua ya evaporada. Lo que ocurre es que la condición para que un líquido rompa a hervir es que su presión de vapor se iguale a la presión atmosférica. La presión de vapor de un líquido es la que mediríamos si hiciéramos un vacío en un recipiente cerrado con ese líquido y esperáramos hasta que no pudiera evaporarse más. Es constante para cada líquido (si fijamos la temperatura). Por eso el agua hierve a menor temperatura cuanto menor sea la presión atmosférica en el sitio donde estamos. El agua en la cima del Everest no llega a los 90ºC y ya está hirviendo. Sin irnos tan lejos, en Madrid el agua no llega a los 100ºC al hervir, porque estamos a 600 metros sobre el nivel del mar, con lo que la presión atmosférica es menor (levemente) que una atmósfera y el líquido empieza a hervir antes. Con este dato podemos fabricar un titular: "En los días de tormenta tardas más en hacerte un huevo pasado por agua", ya que una tormenta suele venir acompañada de bajas presiones, que harán que el agua hierva a menor temperatura, tardando más en hacer el huevo. El efecto, aunque medible, es muy pequeño. También podemos explicar con este dato el funcionamiento de una olla a presión. En el interior de la olla pueden alcanzarse presiones de tres atmósferas, por lo que el agua hierve a 130 ºC o así. Y claro, la comida tarda menos en cocinarse. He ahí el fundamento de la olla a presión.

2.- Hervores en el microondas.
En un microondas la fuente de calor no está debajo del vaso o recipiente. Está por todos lados. Por ello es más difícil conseguir corrientes de convección en el interior del vaso. A esto hay que añadir que la transferencia de calor de un microondas es mucho más rápida que la de un fuego normal (metemos más energía al agua en mucho menos tiempo). Por último, al venir la energía de todos los lados, es más difícil que se formen las burbujas de vapor que serán semillas cuando el agua rompa a hervir (cuando esas burbujas se desprenden del fondo "abren camino" para que se formen más burbujas y comience el hervor). Por ello, el uso de un microondas hace mucho más fácil que alcancemos un estado metaestable para el agua. Un estado metaestable es aquél en el que teóricamente el agua debería haber cambiado de estado pero aún no lo ha hecho. El agua líquida a 101 ºC está en estado metaestable (igual que el agua líquida a -0'5 ºC, pero eso es otra historia).

3.- Estados metaestables.
Y ahora ya vamos llegando a donde queremos. Cuando tenemos un líquido en estado metaestable, variaciones muy pequeñas en las condiciones pueden hacer que, de golpe, el líquido cambie de estado. Al añadir algo soluble (por ejemplo, sopa de sobre) al agua a 101 ºC podemos permitir que se formen las burbujas de vapor sobre los gránulos de sopa de sobre que estamos echando al agua y provocar el hervor del agua. Y claro, es un hervor no paulatino, el agua rompe a hervir no desde el fondo del recipiente sino desde cualquier lugar donde haya un gránulo de sopa. Al hervir tan de golpe tanta agua, es muy probable que se salga del vaso. Oí hablar de este efecto de "calentarse hasta 100ºC sin hervir" del agua en primero de carrera. Como buen protofísico, aquella tarde me fui a casa y comencé a usar el microondas con fines científicos. Y sí, conseguí esta explosión. Calentando en un vaso y echando sopa de sobre -con mucho cuidado y desde lejos- conseguí derramar el agua (más de la mitad del vaso se salía). Es como un borboteo. Es peligroso porque si estamos sujetando el vaso nos escaldaremos la mano, pero nunca conseguí que saltara el agua a más de cinco o seis centímetros de altura. Por tanto, lo de que el agua saltó al rostro del infortunado joven lo atribuyo a una licencia poética del autor de la cadena original.

Ahora veamos qué incorrecciones contiene el correo:

1.- "El agua se atora y queda estancada". ¿?¿?¿? No. El agua está estupendamente libre. Son las burbujas de vapor las que no encuentran sitio donde fijarse para crecer.

2.- "el agua brota con fuerza por la energía contenida". No. Simplemente rompe a hervir y no sólo desde el fondo, por lo que suele salirse del recipiente.

3.- "Es lo mismo que sucede con todas las bebidas carbonatadas". Falso de toda falsedad. En las bebidas carbonatadas se libera el gas que hay disuelto en ellas. En el agua del microondas es la propia agua la que pasa a estado gaseoso. Nada que ver.

Nota:

Se puede leer sobre el efecto contrario, el superenfriamento, aquí:

http://f0rked.com/articles/supercooling