Hervidor de mano
Dos bulbos de vidrio con un líquido azul que sube de uno a otro, y parece hervir, con solo el calor de la mano.
Qué es
Dos bulbos de vidrio soplado unidos por un tubo fino que hace un rizo de adorno. Abajo, el bulbo grande, con un líquido azul; arriba, otro más pequeño que acaba en una punta.
El tubo baja por dentro del bulbo grande hasta casi tocar el fondo. Dentro no hay aire: solo el líquido y su vapor (Güémez, 2011).
Basta coger el bulbo de abajo con la mano para que el líquido suba por el tubo, llene el bulbo de arriba y burbujee como si hirviera. En inglés se llama hand boiler (Güémez, 2011).
Cómo funciona
1. Dentro solo hay líquido y vapor
La punta del bulbo de arriba es el resto del tubo por el que se sacó el aire con una bomba de vacío, antes de cerrarlo a la llama (Güémez, 2011).
Sin aire, el espacio libre de los bulbos se llena del vapor del propio líquido, que es muy volátil: probablemente el mismo que el del pájaro bebedor (Güémez, 2011). Ese vapor empuja con una presión que solo depende de la temperatura, la presión de vapor. Si los dos bulbos están a la misma temperatura, las presiones son iguales y el líquido se queda abajo.
2. La mano calienta el vapor de abajo
La mano, a unos 30 °C, calienta el bulbo de abajo (Güémez, 2011). Su presión de vapor crece muy deprisa con la temperatura, mientras que la del bulbo de arriba, a temperatura ambiente, no cambia.
El vapor de abajo empuja más y, como el tubo llega casi al fondo, sube el líquido hasta el bulbo de arriba. Mientras la mano siga ahí, el líquido se queda arriba (Güémez, 2011).
3. Por qué parece hervir
La mano da mucha más presión de la necesaria, así que el líquido sigue subiendo hasta que el bulbo de abajo casi se vacía. Entonces el extremo del tubo queda fuera del líquido y el vapor caliente escapa por él en burbujas, que atraviesan el líquido del bulbo de arriba.
Esas burbujas de vapor, y no de aire, son las que dan al aparato su aspecto de agua hirviendo.
4. Una máquina térmica de bolsillo
El hervidor convierte parte del calor de la mano en energía potencial del líquido, que se podría aprovechar como trabajo, gracias a una diferencia de temperaturas: es una máquina térmica (Güémez, 2011).
Pruébalo tú
- Caliéntalo con la mano. Rodea el bulbo de abajo con la mano y cronometra cuánto tarda en subir el líquido. Compara las manos de varias personas: unas manos frías tardan más.
- Devuélvelo abajo. Con el líquido arriba, suelta el bulbo de abajo y coge el de arriba con la mano. Ahora el vapor caliente está arriba y empuja el líquido de vuelta.
- Enfría la cabeza. Envuelve el bulbo de arriba con un pañuelo de papel mojado en agua. Al evaporarse el agua, el bulbo se enfría un poco y el líquido sube despacio, sin tocar el de abajo, como en el pájaro bebedor.
Para saber más
La columna que hay que sostener
Para subir el líquido una altura $h$ hace falta que la presión del vapor de abajo supere a la de arriba en
Con cloruro de metileno ($\rho = 1330\ \mathrm{kg/m^3}$) y una columna de unos $15\ \mathrm{cm}$:
- $\Delta P = 1330 \times 9{,}81 \times 0{,}15 \approx 1960\ \mathrm{Pa}$, unos $2{,}0\ \mathrm{kPa}$.
Cuánto hay que calentar
La presión de vapor $P$ cambia con la temperatura según la ecuación de Clausius-Clapeyron,
con $L$ el calor de vaporización por mol y $R = 8{,}314\ \mathrm{J/(mol\,K)}$. Para el cloruro de metileno a $20\ \mathrm{^\circ C}$ ($T = 293{,}15\ \mathrm{K}$, $L = 28{,}8\ \mathrm{kJ/mol}$):
- presión de vapor: $P \approx 48{,}2\ \mathrm{kPa}$;
- $\mathrm{d}P/\mathrm{d}T \approx 1{,}94\ \mathrm{kPa/K}$;
- calentamiento necesario: $\Delta T = 1960 / 1944 \approx 1{,}0\ \mathrm{K}$.
Basta un grado. Con la mano a $30\ \mathrm{^\circ C}$ la presión de abajo sube unos $23\ \mathrm{kPa}$, suficiente para una columna de $1{,}8\ \mathrm{m}$: por eso sube todo el líquido y el vapor acaba burbujeando. Caso límite: con agua ($P = 2{,}3\ \mathrm{kPa}$, $L = 44\ \mathrm{kJ/mol}$) harían falta unos $10\ \mathrm{K}$, todo lo que puede dar la mano en el mejor de los casos.
El rendimiento
Para subir un volumen $V$ de líquido hay que evaporar abajo, como mínimo, los $n = PV/(RT)$ moles de vapor que ocupan su sitio, y eso cuesta un calor $nL$. El trabajo es $\rho g h V$, así que el rendimiento máximo es
justo el rendimiento de Carnot entre dos focos separados por el grado que hace falta. Calentar más no sube el rendimiento: el resto se va en hacer burbujear el vapor.
Para leer más
- J. Güémez, «La física del pájaro bebedor», Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (número extraordinario), 399–403 (2011). Artículo en abierto.
- J. Güémez, C. Fiolhais y M. Fiolhais, «Juguetes en clases y demostraciones de Física», Revista Iberoamericana de Física 6(1), 45–56 (2010). PDF en la Universidad de Coimbra.
Conceptos clave
- presión de vapor
- ecuación de Clausius-Clapeyron
- vacío
- presión hidrostática
- máquina térmica
- rendimiento de Carnot
Doctor en Física y Profesor Titular de Termodinámica Grado en Física, en la Facultad de Ciencias de la Universidad de Cantabria
Datos y contacto
Facultad de Ciencias. Avda. de los Castros, 48. 39005 Santander | Cantabria
DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA