La olla de Presión

La explosión de una olla de presión en la cocina de mi casa es uno de los recuerdos más viejos que guardo. Para bien de nosotros ninguno estaba en la cocina, así que por suerte no es un recuerdo trágico, pero sí muy impresionante. Entré a la cocina después de mi mamá que fue la primera en reaccionar ante el estallido, y tengo muy claro volver a ver hacia arriba y ver frijoles pegados al techo y las gotas de caldo cayendo al piso. Desde entonces en un acuerdo familiar tácito nunca se volvió a comprar una olla de presión. Así que me tomó poco más de veinticinco años el redescubrirlas, claro, puede parecer medio bobo para la mayoría de gente que está muy acostumbrado a verlas y usarlas en sus cocinas pero, no se si aún con la costumbre se han preguntado ¿cómo funcionan estas ollas que logran cocinar tan rápido?

He conversado con bastante gente al respecto, de más está decir que a todos les extrañó que iniciara una conversación casual sobre las ollas de presión, de pronto pensaron que me convertí en vendedora y quiero convencerlos de que me compren una, y más curioso les pareció que les preguntara por qué es que la olla de presión cocina tan rápido la comida. El consenso fue general: la olla al aumentar presión puede llegar a una mayor temperatura, pero al insistir con mis ¿Por qué? Noté que no quedaba tan claro como es que la presión afecta la temperatura del agua.

La olla de presión es un recipiente de metal, que se cierra herméticamente, suele ser muy pesada comparada con otras ollas de su tamaño, porque debe ser maciza para soportar sin romperse, o estallar, las grandes presiones que se generan dentro de ella.

Es bien conocido el hecho de que el agua hierve a 100 °C. Esto es cierto siempre y cuando el agua esté sometida a la presión atmosférica por eso es que en la realidad esa temperatura cambia ligeramente en diferentes puntos de la tierra pues la presión atmosférica varía un poco dependiendo de la posición geográfica y la altura con respecto al nivel de mar.

A presión atmosférica es imposible tener agua más caliente que la temperatura de ebullición ya que en este punto se da también el cambio de estado de líquido a gas. Este cambio de fase tiene lugar cuando la presión de vapor del líquido se iguala con la presión del ambiente que lo rodea, cuando se cumple esta condición se puede formar vapor en cualquier punto del líquido.

Vale la pena establecer la diferencia entre la ebullición, que recién expliqué y la evaporación. No es necesario llegar a la temperatura de ebullición para que algunas moléculas en estado líquido pasen a ser gas, como ejemplo tenemos el secado de la ropa. En la evaporación una pequeña fracción de moléculas alcanza la energía suficiente para romper la tensión superficial del líquido y pasar así al estado gaseoso. Es decir la evaporación es un fenómeno de superficie en tanto la ebullición sucede en todo el volumen del líquido.

En el caso de la olla de presión, una vez que se cierra de forma hermética se aísla y el agua que está dentro no se ve afectada por la presión atmosférica si no por la presión que se genera dentro de ella.Al calentar agua se le da energía a sus moléculas haciendo que cada vez se muevan más y más, como consecuencia acrecienta la cantidad de moléculas que se evaporan hasta que la presión dentro de la olla llega a ser aún mayor que la presión atmosférica. Está presión generada por el aumento en la cantidad de vapor afecta todas las superficies (principio de Pascal) incluyendo la superficie del agua por lo que se vuelve más difícil que las moléculas que se encuentran en estado líquido abandonen la superficie para pasar a ser vapor siendo necesaria cada vez más temperatura para lograrlo. Este es el proceso que logra aumentar la temperatura del agua hasta más de 100 °C dentro de la olla de presión. De hecho dentro de ella, debido a la alta presión generada por el vapor, es posible llegar a los 130 °C sin que se alcance el punto de ebullición y por eso es que la comida se cocina mucho más rápido.

Aunque el metal del que está hecha la olla es fuerte y el cierre de la tapa puede asegurarse bien el aumento indefinido de la presión haría que fallaran en algún punto, así que la tapa tiene una válvula para liberar la presión. El tipo más común consta de un mecanismo muy sencillo y a la vez ingenioso, la válvula está montada sobre un resorte y en posición relajada se encuentra cerrada. Debido a la creciente cantidad de vapor en el interior de la olla aumenta la presión y se ejerce una fuerza que comprime el resorte lentamente hasta que alcanza una presión límite, determinada para no poner en peligro la integridad de la olla y por lo tanto a su usuario, que logra que la boquilla de escape libere el vapor al exterior de la olla.

Izquierda: Válvula para liberar presión en estado relajado, en este punto todo el contenido de la olla se encuentra herméticamente aislado Derecha: Válvula para liberar presión en abierta. El vapor saldrá de la olla hasta que la presión en su interior no genera la fuerza suficiente como para comprimir el resorte sobre el que se apoya la válvula. Ilustración tomada de este link

De hecho el que esta válvula se tape es la causa más común de explosión de ollas de presión, probablemente fue lo que sucedió en mi casa y que me dejó semejante manía contra ellas. Para los que la han visto detenidamente, (los que no ¡háganlo!) la salida de esta válvula es un orificio pequeñito, es necesario que sea así, porque si fuera más grande al abrirse descompensaría la presión en el interior de la olla causando una baja en la temperatura dentro y haciendo, por lo tanto, que la cocción sea tan lenta como en una olla común. Este pequeño orificio puede taparse con facilidad por alguno de los pedacitos de comida que hay dentro de la olla, por eso es importante revisarlo antes de poner la olla de presión a cocinar, así se evita un accidente potencialmente terrible, pues como vimos (y ahora entendemos) el agua dentro de la olla de presión está mas caliente de lo común.

Física a la luz de las velas

¿Alguna vez has observado detenidamente una vela? Pues yo lo hice un día de estos, y mientras disfrutaba de la relajante sensación que suele proporcionar, no pude evitar preguntarme ¿de dónde viene la luz? ¿por qué la llama tiene diferentes colores? ¿de qué sirve la mecha, por qué no se quema de un solo ? ¿qué sucede con la parafina, se evapora y por eso la vela se apaga? (Nota: sí, así somos los y las físicas, siempre preguntando, hasta en los momentos de descanso :) )  Desde ese día he querido escribir al respecto. Investigando un poco sobre el asunto, me di cuenta que no fui la primera en preguntarse estas cosas, como suele suceder. De hecho Faraday, físico muy famoso por sus descubrimientos en electricidad y magnetismo, estudió detalladamente la física y la química de las velas. Incluso, en 1860 dio una serie de 6 charlas dirigidas a jóvenes, titulada la "La historia química de la vela". La transcripción de estas lecciones se pueden encontrar en este enlace.

A continuación les ofrezco algunas explicaciones que estoy segura les parecerán muy interesantes.

Encendiendo la vela

Empecemos del principio. Una vela o candela, puede estar hecha de diferentes materiales como por ejemplo parafina y cera de abejas. Lo importante es que este material debe ser sólido a temperatura ambiente y derretirse al calentarse. Por simplicidad, yo voy a considerar una vela de parafina para este texto.

Cuando encendemos la vela, se produce luz y calor al quemarse la mecha. La vela empieza a derretirse y el material líquido sube por capilaridad por las fibras de la mecha (en esta publicación podés leer sobre capilaridad). Una vez que llega al tope, donde está la llama, sufre un proceso de descomposición que es el responsable por la emisión de luz, los colores y la forma de la llama. Esto explica porqué la mecha no se consume de una sola vez: lo que se consume es el combustible que viene de la vela derretida. Y también explica porqué la vela se acaba: la parafina se consume en la misma llama.

La zona de reacción
Seguramente habrás observado la llama de una vela en alguna ocasión y te habrás dado cuenta que no es homogénea en color.  Por ejemplo,  más o menos a la altura de la mecha y en la región exterior de la llama, vemos una luz azulada. En este caso, las moléculas de la parafina derretida, la cual esencialmente es una molécula compuesta por otras moléculas menores, se evaporada de la mecha y se descompone en moléculas más pequeñas que reaccionan entre ellas y con el  oxígeno del aire. Como resultado producen otras moléculas pequeñas como CH y C2. Al ocurrir esta descomposición se libera también energía (la energía que estaba contenida en los enlaces químicos que formaban la molécula grande de parafina) y como consecuencia las moléculas se encuentran en estado excitado. Esto significa que los electrones alrededor de los núcleos tienen una energía por encima de su nivel mínimo. Moléculas excitadas emiten energía para poder regresar a su estado no excitado o estado basal, pues una de las reglas de la Naturaleza es que todo tiende a su estado de mínima energía. Esa energía emitida la vemos en forma de luz, predominantemente en tonos azulados para este caso. Esto es lo que se conoce como emisión molecular.

El cono oscuro
La región cercana a la mecha en el interior de la llama es oscura. Aquí no hay mucho oxígeno que pueda reaccionar con el vapor de parafina y  la temperatura es relativamente baja, así que la emisión de luz en esta región es muy poca o casi nula. Es en esta región donde se encuentra la menor temperatura en la llama, aproximadamente 600 grados centígrados. Es por eso que cuando uno juega a pasar la mano por la llama sin quemarse el secreto está en hacerlo lo más cerca posible de la mecha (dicho sea de paso, en este blog no recomendamos jugar con fuego ;) )

Amarillo luminoso
Finalmente, la parte más sobresaliente de la llama es la de color amarillo. Esta región está formada por un gas de partículas nanométricas  de carbono. Pero a diferencia del cono oscuro, las moléculas están lo suficientemente calientes como para volverse incandescentes. Esto es  como cuando observamos carbón en brasas: sabemos que está realmente caliente cuando lo vemos rojo o incluso blanco. De hecho las temperaturas en esta región superan los 1000 grados centígrados.

La demostración de que en realidad se trata de partículas sólidas de carbono suspendidas en el aire es muy sencilla como dedujeron Faraday y su mentor Davy. Basta con tomar una vela y observar su llama contra la luz del sol. La región amarilla de la que estamos hablando aparecerá opaca debido a la presencia de estas nanoparticulas.  Sin embargo el mecanismo mediante el cual se producen dichas nanopartículas todavía no está muy claro.
Estas partículas de carbono son las responsables por el color negro que adquieren algunos objetos cuando los acercamos a la llama, por ejemplo una cuchara.

La forma de la llama
Entre más se calienta el aire, menos denso es. Por lo tanto, el aire caliente tiene a subir por encima del aire que está menos caliente. De esta manera se crea una corriente de convección alrededor de la llama: el aire en contacto con ella se calienta, sube y es remplazado por aire menos caliente. Este constante fluir del aire es el responsable por la forma de gota  de la llama. Pero no olvidemos que la noción de hacia donde es arriba y hacia donde es abajo depende en realidad de la gravedad terrestre: abajo es hacia donde caen los objetos. Entonces cabe preguntarse, qué sucedería en un ambiente sin gravedad? Científicos de la NASA han realizado experimentos al respecto a bordo de transbordadores y de la estación espacial. El resultado es una llama semi-esférica alrededor de la cual no hay corrientes de convección, como se muestra en la foto tomada directamente de la página de los experimentos. Por lo tanto el calor se concentra durante más tiempo cerca de la vela y la parafina se derrite más rápido. Una vela en la estación espacial se gasta más rápido que en la Tierra.

En realidad estas líneas son un resumen bastante corto de la física de las llamas de las velas. Mucho más puede ser dicho, incluyendo también la parte química, tanto así que Faraday hizo todo un curso de 6 sesiones sobre este tema. Lo importante es que de ahora en adelante, cuando el o la lectora de este post observe la llama de una vela, recordará que existen por lo menos dos fenómenos físicos diferentes responsables por la luz y su color: emisión molecular e incandescencia.  Por cierto, a propósito evité poner la foto de una vela para ilustrar los colores de la llama, pues la idea es incentivarlos a uds. a observar bien la llama la próxima vez que se topen con una vela encendida.

(La información para este post fue tomada en gran parte del texto publicado por J. Walker en la sección "The amateur scientist" de Scientific American en abril de 1978 )