Por calor

1996/06/01 Bandres Unanue, Luis Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Vamos a París para empezar bien el viaje alrededor del calor. Y después de llegar a París, ¿por dónde empezar si no es desde la torre Eiffel? Sin embargo, antes de irse y dado que somos muy curiosos, hemos adquirido una guía para, entre otras cosas, saber que la longitud de esta torre es de trescientos metros. Pero enseguida nos ha ocurrido una pregunta: ¿cuándo lo han medido? ¿En invierno o en verano? Es decir, cuando hace calor o frío en París? Esta gran torreón de hierro no será, pues, la misma temperatura.

Sabemos que al subir una cuña de trescientos metros de hierro con un grado se estira aproximadamente 3 mm. Por lo tanto, la torre Eiffel funcionará de forma similar cuando la temperatura cambie. Si en París suena el sol, cuando hace calor la torre de hierro se calienta, por ejemplo, hasta los +40ºC, mientras que cuando el día es lluvioso y frío, la temperatura puede llegar a los 0º C, incluso más abajo. Por tanto, y a modo de ejemplo, si la diferencia de temperatura es de 40ºC, la longitud de la torre Eiffel puede variar en 3 mm/ ºC x 40ºC = 120 mm, es decir, 12 cm.

Con el fin de comprobar todo lo anteriormente expuesto, se han realizado mediciones directas en la torre Eiffel. Para ello se ha empleado un alambre fino de aleación especial, denominada “inbar”, formada por acero y níquel, cuya longitud apenas varía con la temperatura. Como se puede pensar, lo dicho en la teoría se ha demostrado en la realidad. Por ello, la cima de la Torre Eiffel en días cálidos es, aproximadamente, diez centímetros más alta que en días fríos. Además, la “puesta” de una parte de hierro de diez centímetros no supone ningún coste para nadie, es decir, se genera del “vacío”. ¡Qué maravilla!

Ahorro de vasos

Antes de tirar el café caliente a la taza, siempre metemos una cucharilla en el interior de la taza y mejor si es de plata. De esta forma se ahorra mucho. En casa lo hacemos por simple costumbre, pero ¿tiene eso una costumbre sin motivos científicos o sin razón? Cuando a menudo echamos agua muy caliente en las tazas o vasos hemos visto que se rompen. Vamos a analizar la causa de este fenómeno.

La base de este fenómeno radica en la diferente dilatación del vidrio. Cuando se vierte agua caliente a un vaso, la pared del vaso no se calienta de la misma manera en todo su espesor, es decir, mientras la capa interna se calienta inmediatamente, el exterior sigue frío. Por tanto, la capa interna calentada comienza a dilatarse, pero no la externa. Eso genera una gran presión a través de la pared, una clase tan conocida ! lo escuchamos … y el vaso se rompe en mil pedazos.

Que nadie piense que comprando vasos más gruesos descartará el problema, que ocurrirá al revés. Los vasos gruesos son más débiles que los finos en este fenómeno y se rompen más fácilmente. No es difícil comprender que cuando las paredes son finas, el equilibrio térmico se consigue más rápido y la dilatación de todas las capas es prácticamente la misma, mientras que en los vasos de pared gruesa este fenómeno se da al revés.

Pero si eliges a los lectores vasos de pared fina, recuerda que el fondo también debe ser delgado. Cuando echamos agua caliente es el fondo el que se calienta especialmente y si es grueso, aunque las paredes sean muy finas, el recipiente se rompe igual.

A medida que las paredes de un recipiente de vidrio sean más delgadas, podemos calentarlas con mayor seguridad. Los químicos utilizan recipientes de vidrio con paredes muy finas y se ponen al fuego con agua hirviendo sin miedo a romperse.

Como podemos pensar, el mejor envase sería el que al calentarse no tuviera ninguna dilatación. La dilatación del cuarzo es mínima, casi veinte veces menor que el vidrio. Podemos calentar todo lo que queramos un recipiente de cuarzo y no se nos rompe. Una vez colocado el recipiente en posición incandescente, se sumerge en agua fría y seguirá exactamente igual. Esto se debe, por un lado, a lo dicho anteriormente, que el coeficiente de dilatación del cuarzo es muy bajo y, por otro, a que la conductividad térmica de este material es mucho mayor que la del vidrio, por lo que el equilibrio térmico se consigue rápidamente en su interior.

Ya hemos visto por qué se rompen los envases al calentar el agudo, pero otro tanto ocurre si los enfriamos bruscamente. Si metemos un recipiente de vidrio muy caliente en el hielo, la capa externa se enfriará inmediatamente, pero no la interna, por lo que mientras el exterior vaya disminuyendo, el otro seguirá igual, generando presión y rompiendo el recipiente. Por eso, si almacenamos la comida caliente en un recipiente de vidrio, no la enfríemos metiéndola en agua fría, ya que el riesgo de rotura es muy alto.

Antes hemos mencionado las cucharillas, ¿por qué? ¿Por qué se recomienda colocar las cucharillas en los recipientes antes de echar agua caliente?

Como hemos visto, la causa de la rotura del vidrio es el salto térmico entre diferentes capas, ya que cuando es grande la presión también será elevada. Cuando la diferencia es pequeña, prácticamente todas las capas se calientan a la vez y no se produce ninguna reducción. Esta es la ventaja del agua tibia: el pequeño salto térmico que produce el agua templada entre las diferentes capas. ¿Y las cucharillas? Cuando el líquido cae al fondo del recipiente, el vidrio, con un conductor térmico deficiente, tiene la posibilidad de dar parte de su calor a la cucharilla, que es metálica y por tanto buen conductor térmico. Con ello disminuye ligeramente la temperatura del líquido y el líquido que entra en contacto con la pared del recipiente está más templado que el calor.

Ahora podemos seguir echando café caliente sin peligro de rotura, porque la taza en su totalidad ha tenido la posibilidad de calentar un poco (o muchos). En definitiva, metiendo las cucharillas metálicas en el vaso, ralentiza el salto del calentamiento, evitando que se rompa la taza.

¿Y por qué mejor una cucharilla de plata? Eso también es muy fácil de entender. La plata es un conductor de calor muy bueno, por lo que toma calor del agua mucho más rápido que otros materiales. Por eso, si las cucharillas de plata están metidas en el café caliente y las cogemos con los dedos, nos quemaremos, pero con otros materiales, como el cuprés, no nos pasará. A pesar de que la cucharilla que te han puesto encima de la mesa con el café parece ser hermosa, puedes saber si es de plata o no: si te fumas, plata; si no, ¡quién sabe!