No todo en la física son aceleradores y partículas. Hay nubes y cerveza.
Un destacado ejemplo de lectura educativa y amena es "Clouds in a glass of beer" de Craig F. Bohren, que para dar idea del fondo físico de la lectura, se subtitula "Simple experiments in atmospheric Physics".
Nos encontramos con la cerveza y sus burbujas; con granos de sal que desencadenan en la cerveza un borboteo tumultuoso; con la tenue neblina en el cuello de la botella de cerveza recien abierta; con la atmósfera y sus nubosas gotitas de agua; con patos felices de cabeza fría, y mucho más.
Expresado en términos novelescos, asistimos a los equilibrios y desequilibrios entre las dos apariencias de un protagonista, el agua, que se nos presenta a la vez como líquido y como vapor, separados por una superficie. Constantemente hay moléculas de agua que pasan del líquido al vapor (evaporación), y del vapor al líquido (condensación). Si hay equilibrio entre ambos procesos, a una temperatura dada, el vapor tiene una presión de vapor característica, denominada presión de saturación, nombre que intenta expresar que ya hay tanto agua en forma de vapor como permite la situación de equilibrio. Más presión de vapor indica una sobresaturación, exceso de vapor que ha de condensarse para restablecer el equilibrio. Menos presión de vapor que la de saturación implica que la evaporación gana a la condensación y en términos globales se puede aumentar la cantidad de vapor.
Podemos cambiar de jerga y hablar en términos de la humedad relativa, cociente entre la presión de vapor existente y la de saturación. Una humedad relativa del 100% indica la situación de equilibrio. Un valor mayor del 100%, sobresaturación. Bueno, según las reglas del juego, en medio de un vapor sobresaturado, debe producirse condensación y formarse agua. Pero ¿cuanto tiempo lleva eso? Crear una gotita de agua en medio del vapor implica no solo juntar moléculas vaporosas, sino crear una superficie de separación. Esto no es fácil, puede requerir paciencia, y es lo que se denomina nucleación homogénea. Pero las cosas se facilitan si aparecen los centros de nucleación, con sus superficies rugosas que facilitan la creación de la superficie de separación entre vapor y líquido. En la turbia atmósfera no suelen faltar.
El equilibrio suena monótono, pero el desequilibrio puede ser también aburrido si corresponde a una situación estacionaria: anticiclón de las azores, tiempo seco y soleado, baja humedad relativa, humidificadores a tope para paliar tal sequedad, y así podemos seguir días y días. Hasta que la temperatura cambia. El equilibrio entre vapor y agua líquida (y la dinámica de evaporación versus condensación) depende tremendamente de la temperatura: la presión de saturación del vapor de agua decrece muy rápidamente al disminuir la temperatura. Imaginemos una presion de vapor P menor a la de saturación PSat(T1) a la temperatura T1. Por ejemplo una situación de humedad relativa del 50%. De repente llega el frío. La temperatura empieza a descender, y con ella la presión de saturación. Podemos llegar a una temperatura Tr < T1 en que P=PSat(Tr), y por tanto en que la humedad relativa es del 100%. A tal temperatura se le denomina temperatura o punto de rocío para las condiciones dadas en un principio. Si la temperatura sigue descendiendo más hasta una temperatura T2, se puede dar una situación momentánea de sobresaturación, humedad relativa mayor del 100%. Claro que una vez actúe la condensación para restablecer el equilibrio, la presión del vapor de agua debe disminuir hasta P'=PSat(T2), una humedad relativa del 100% en la temperatura T2, que resulta ser la temperatura de rocío en la nueva situación.
La temperatura es por tanto un personaje principal en el drama atmosférico, que puede llegar a sofocarnos. Al lado del mar en tiempo muy caluroso (40ºC) la humedad absoluta es enorme, la humedad relativa puede estar cerca del 100%, y la temperatura de rocío ser por ejemplo de 35ºC. Nuestro sudor no se evapora, y no nos refresca nada. Claro que hay altas temperaturas de Rocío estupendas (bueno, dew, drew, que más da).
Precisamente el grado de evaporación es mayor cuanto menor es la humedad relativa. Y la evaporación lleva aparejada una absorción de calor que se emplea para pasar del líquido al vapor, y que implica un enfriamiento de la superficie en que se produce la evaporación. Cuanto menos humedad relativa, más evaporación, y más enfriamiento. Una forma de medir la humedad relativa es tomar la temperatura de ambiente en seco y compararla con la temperatura de bulbo húmedo. Si la humedad relativa es baja, la evaporación de un paño húmedo en contacto con nuestro termómetro es alta, produciendo una mayor disminución de la temperatura. Hay tablas para relacionar esta diferencia de temperaturas (de bulbo seco menos la de bulbo húmedo) con la humedad relativa.
Un dispositivo móvil basado en este principio es el pájaro beodo, ilustrado por Bohren, que le denomina pato feliz. En el culo del pato hay un líquido volatil, que también llena en parte un tubito que conecta el fondo del culo con la cabeza. Un enfriamiento de la misma reduce la presión del vapor en la cabeza respecto a la existente en el culo, y esa sobrepresión cular eleva el líquido por el tubo hasta la cabeza y desequilibra al pobre pato, que gira y bebe, empapando su pico, mientras el ángulo de inclinación hace que se conecten e igualen las presiones de culo y cabeza, y el líquido de esta última descienda de nuevo, haciendo retomar al pato su casi erguida posición. Y vuelta a empezar.
Curiosamente si al pato se le da de beber agua con una alta concentración de sal, o de azúcar, pierde bastante de su alegría. El enfriamiento (que promueve la alegría del movimiento) depende de la fuerte evaporación en el empapado pico, mayor si la humedad relativa es baja, que significa que la presión actual de vapor es mucho menor que la presión de vapor saturada. Pero un tal Raoult observó que la presión de saturación de una sustancia disminuía si a la fase líquida pura de la misma se le añadía un soluto, tanto más cuanto mayor fuese la fracción del soluto. De modo que al empapado pico de pato bien salado le corresponde una menor presión de saturación, lo que hace que la humedad relativa a sus efectos sea más próxima al 100% que la experimentada en las mismas condiciones de temperatura y humedad absoluta por un destiladamente empapado pico de pato. Con el agua salada la evaporación es menor, menor la disminución de temperatura, y menor el sube y baja.
Otro protagonista con problemas de equilibrio es el gas carbónico, que aparece como gas libre en el cuello de nuestra botella de cerveza cerrada, o disuelto en el líquido. El equilibrio entre gas libre y disuelto se describe por la ley de Henry: la cantidad de gas disuelto es proporcional a la presión parcial del gas, pero la constante de proporcionalidad depende fuertemente de la temperatura. Para una misma presión del gas, la solubilidad decrece al aumentar la temperatura. En las bebidas carbonatadas se consigue diluir gran cantidad de gas en el líquido trabajando a grandes presiones de carbónico y a bajas temperaturas. Hay auténticos expertos domésticos para tener agua carbonatada en casa en plan hazlo tú mismo. En el caso de nuestra botella de cerveza cerrada, el carbónico del cuello de la botella esta en equilibrio con el carbónico disuelto. Tal equilibrio se pierde en cuanto se abre la botella. La cerveza pasa a contener más carbónico del correspondiente a la nueva situación, en que la presión parcial del carbónico es casi nula al escapar a la atmósfera. A semejanza de la sobresaturación del vapor de agua, el exceso de gas carbónico disuelto puede crear burbujas gaseosas por la lenta vía de nucleación homogénea o con la ayuda de centros de nucleación, como se dan en las rugosas paredes y fondo de nuestro vaso de cerveza. Y si, como propone Bohren, echamos a la cerveza unos granos de sal, o de arena, hay un repentino tumulto de creación de burbujas. Pero además de ser éticamente cuestionable hacer tan deplorable uso de una saludable cerveza, es más es-pec-ta-cu-lar y menos objetable usar una bebida de Cola y unos Mentos.
Lo que sí es aconsejable es comprobar que al destapar una cerveza cerrada, en su cuello puede apreciarse una tenue neblina. El gas carbónico escapa rápidamente produciendo un brusco enfriamiento que satura el vapor de agua presente en el cuello. En una botella cerrada los posibles centros de nucleación se han asentado y el cuello está libre de ellos, de modo que actúa la nucleación homogénea creando la tenue neblina.
Qué dura es la ciencia, ayer tuve que abrir, y degustar, una Grimbergen Double.
