Sobrecalentamiento y sobreenfriamiento. La respuesta está en la metaestabilidad

En la introducción dije que una de las cosas que pensaba incluir eran entradas sobre física, pero lo cierto es que hasta ahora no me había podido dedicar a ello.

Voy a empezar esta sección con un tema que me parece muy interesante y que poca gente conoce: la metaestabilidad.

Seguro que a muchos de vosotros os ha llegado alguna vez un email diciendo que tengáis cuidado al calentar agua en el microondas, ya que parece ser que al sacarlo o al echarle azúcar todo el agua se transforme en vapor y te queme la cara. Bueno, pues una de las cosas que vamos a ver con la metaestabilidad es la veracidad de dicho email.

NOTA: Si te parece una entrada demasiado larga como para leértela entera, mira al menos los vídeos que enlazo al final, son cortos y merece la pena.

Pero antes de explicar en qué consiste, es necesario conocer algunas nociones básicas de los sistemas.

¿Y qué es un sistema? Pues según la wikipedia:

Un sistema es un conjunto de partes o elementos organizados y relacionados, que interactúan entre sí, para llegar a un mismo objetivo.

Puede parecer algo complejo, pero no tiene por qué ser así en absoluto. De hecho, en nuestro caso el sistema va a ser tan simple como una pelota sobre una mesa.

Los sistemas tienden a la comodidad máxima, que viene a ser el estado en el que tengan menor energía, esto quiere decir que si están en un estado y pueden moverse libremente para evolucionar a otro estado menos energético, lo harán. De esta forma, podemos pillar al sistema en dos estados distintos, en un estado en el que se encuentre más o menos cómodo y no se mueva o cambiando de un estado a otro. En el primer caso, hablaremos de "puntos de equilibrio", mientras que en el segundo hablaremos de "transiciones" de un punto a otro.

Pero no todos los puntos de equilibrio son igual de estables, más que nada porque si el sistema estuviera igual de cómodo en todas partes no se movería. Vamos a clasificar los distintos tipos de estabilidad dentro de los puntos de equilibrio:

Equilibrio Estable: El sistema está muy a gusto y aunque lo perturbes volverá a su punto de equilibrio. En el caso de la pelota, podría ser algo así:

Vemos que aunque le dieras golpecitos a la bola, siempre volvería a su punto de equilibrio.

Equilibrio Inestable: Es todo lo contrario al anterior, el sistema no está nada cómodo, le encantaría estar en otro lugar, pero le da pereza, necesita un pequeño empujón para vencer esa pereza y poder cambiar a un estado menos energético. De esta forma, un sistema en equilibrio inestable se está quieto (por eso está en equilibrio), pero a la mínima perturbación perderá el equilibrio y se moverá hacia otro estado que le guste más.

En el caso de la pelota el equilibrio inestable se podría representar así:

Equilibrio indiferente: Todas las opciones que tiene el sistema son iguales, así que en principio no se va a mover, pero si es movido por algo externo, tampoco se va a preocupar de volver a su sitio.

En el caso de la bola podría ser estar sobre una mesa sin desnivel.

Equilibrio metaestable: Este equilibrio es un punto intermedio entre estable e inestable. El sistema está a gusto, pero no demasiado, él sabe que podría estar mejor, pero esta vez le cuesta más cambiar de estado que en el equilibrio inestable, de forma que en principio, si no se le perturba demasiado se quedará donde está, pero como le den demasiada energía se irá a un estado menos energético y, por tanto, más estable.

Una forma de verlo con la pelota sería así:

Si le damos un golpecito a la pelota con suficiente fuerza ésta acabará en la parte más baja, donde tiene menos energía potencial gravitatoria.

Una vez vistos los tipos de equilibrios y visto qué es la metaestabilidad vamos a ver cómo afecta esto en nuestra vida y, particularmente, en el ejemplo del email alarmista.

Cuando calentamos agua, estamos aumentando su energía y la mejor manera que tiene de evolucionar es incrementando su temperatura, pero esto no es así siempre, llega un momento en el que el agua descubre que puede estar más a gusto si cambia de estado que si sigue aumentando su temperatura indefinidamente, así que generalmente lo que hace es simplemente ebullir. Pero como hemos visto antes, para que un estado cambie necesita una pequeña perturbación. Normalmente esa perturbación se la da en mismo proceso que la está calentando (si calientas agua en un cazo se provocarán corrientes de convección que perturbarán el sistema y será más difícil que haya sobrecalentamiento), pero en el caso del microondas, el agua se calienta de manera más homogénea y se puede dar el caso de que no perturbe el sistema lo suficiente como para que cambie de estado ¿Qué pasa entonces? pues que, al no tener dicha perturbación, el agua sigue incrementando su temperatura, de forma que te puedes encontrar agua líquida a 115 ºC (a presión atmosférica). Decimos entonces que está "sobrecalentada". Pero claro, ese estado no es estable, si se perturba el sistema pasará corriendo al estado que le debería corresponder, es decir, que  todo el agua que pueda se evaporará al instante. 

Gráficamente, el proceso podría ser algo así

A medida que la temperatura aumenta, el estado se va haciendo más inestable y la perturbación necesaria para hacerle cambiar de fase es menor, hasta que llega un momento en el que cambia incluso sin perturbación externa (la agitación térmica se hace lo suficientemente importante como para perturbar el sistema)

Bueno, pues esta es la explicación física de por qué ese email tiene razón, al menos en el proceso físico que se da.

Si habéis llegado hasta aquí, sin duda os merecéis un premio, así que os dejo algunos vídeos para que podáis comprobar la veracidad de la explicación

Ebullición instantánea

Cazadores de mitos (Inglés)

Peeero esto no es todo, hasta ahora solo hemos hablado de sobrecalentamiento, pero este proceso también se da a la inversa (sobreenfriamiento), es decir, agua se congela de repente, lo cual es mucho más impactante.



http://www.youtube.com/watch?v=gGpNhBPYNfs&feature=related

(Echa copos de nieve en la botella que perturban el agua)


http://www.youtube.com/watch?v=4g1BDpU7ZQo&feature=related

(Se puede ver con el pirómetro -termómetro a distancia- que el agua está a -16,4ºC)



http://www.youtube.com/watch?v=fSPzMva9_CE&feature=related

(Simplemente asombroso)