jueves, 13 de febrero de 2014

Efecto ventosa

Efecto ventosa del vaso 
con 
la vela y el plato

El presente experimento está catalogado como un clásico en las demostraciones de fenómenos físicos y químicos en el aula. Es rico en procesos y muy útil para incentivar la observación y estudio de la fenomenología termodinámica. Muchos autores han dedicado páginas a su explicación (Perelman Y., 1925) y diversos investigadores pedagógicos lo han propuesto y utilizado como recurso de aprendizaje (Serafini G., 2002). Unos han propuesto hipótesis basadas en el consumo del oxigeno, otros en la expansión y subsecuente enfriamiento del aire. A pesar de que innumerables videos se le han dedicado en la Web, en particular en youtube.com; pocos dan la explicación de su ocurrencia. Sin embargo, para entender su fenomenología hay que considerar varios procesos presentes que evolucionan en el tiempo hasta que el sistema (aire) alcanza otro estado de equilibrio. Inicialmente el sistema (aire) se encuentra en equilibrio termodinámico. Cuando se le modifica esta condición mediante la introducción de energía térmica (calor de combustión) y materia (gases provenientes de la combustión), el sistema evoluciona temporalmente hacia el equilibrio hidrostático y térmico. Durante ese lapso temporal, ocurren dentro de él, cambios físicos y químicos que se pueden visualizar. Ambos intervienen, en mayor o menor proporción, en la introducción del agua en el vaso, como veremos a continuación.

Se propone realizar su montaje experimental en el contexto cotidiano. En la cocina se dispone de herramientas y accesorios para la experimentación. En esta oportunidad se estudiará con este instrumental, el efecto que produce la atmósfera sobre algunos de los cuerpos que en ella se encuentran sumergidos. Se necesita un plato hondo, un vaso de tamaño normal de vidrio transparente, vela, fósforos, agua y colorante vegetal, para realizarlo. En tal sentido, se coloca la vela apagada en el centro del plato y en éste se vierte cierta porción de agua coloreada; se prende la vela y se tapa con el vaso. Se observa que la vela en pocos segundos se apaga y parte del agua del plato se introduce en el vaso. ¿Qué pasó?

     Para dar respuesta a esta interrogante, previamente se requiere de una descripción del sistema completo: 

a) El aire está formado por oxígeno O(21%), nitrógeno N(78%), vapor de agua (% dependiendo de su humedad relativa) y otros componentes inertes en menor proporción (dióxido de carbono, argón, etc. en 1%). Cada uno de estos gases aporta su cuota en el establecimiento de la presión atmosférica local, así que ésta es la suma de todas las presiones parciales ejercidas por cada uno de sus componentes.

b) La vela se fabrica con parafina (C25H52o cera, cierto tipo de combustible de uso en el hogar. Al prender la mecha (pabilo), ésta se derrite y se evapora. La parafina en estado gaseoso reacciona químicamente con el oxígeno y entra en combustión produciendo la llama característica, fuente de energía térmica y luminosa. Los productos de la reacción química son principalmente dióxido de carbono (anhídrido carbónico), vapor de agua y ceniza, es decir  

                C25H52 + 38 O2  ------25 CO+ 26 H2O (vapor).

Se concluye que, al quemarse el oxígeno se forma casi la misma cantidad de vapor de agua que de anhídrido carbónico y, cómo el aire contiene 21% de O2, se formará 10% de CO2 y 10% de vapor de agua, aproximadamente. Este COgaseoso tiene la propiedad de diluirse en el agua, de modo que una pequeña fracción forma ácido carbónico (H2CO3) y la restante permanece en estado gaseoso. El vapor de agua tiene la propiedad de condensar en superficies frías cuando la presión del vapor supera la presión del vapor saturado, para cierta temperatura. Además puede mantener un intercambio molecular con el agua líquida a través de la superficie que separe sus dos fases (gas y líquido). También puede condensar dentro del mismo gas a partir de núcleos de condensación (ceniza, polvo, entre otros) y formar una nube de gotas de agua.

Para entender lo que sucede, se recomienda: 

a) Realizar previamente el siguiente experimento. Se acerca, lenta y verticalmente, el vaso al plato con agua hasta que toque fondo, tal como se ilustra en la figura. 


Vaso metida en el agua del plato sin la vela.

Antes de que el vaso se sumerja en el agua la presión del aire en su cavidad es igual a la atmosférica; pero a medida que se sumerge, su presión aumenta paulatinamente hasta un valor máximo, cuando ha tocado fondo. En esta posición se equilibran las presiones; se iguala la interior con la exterior. Es decir,

                                        Pa = PA + D g h

 donde h es la diferencia entre el nivel del agua por fuera del vaso y dentro del vaso.