El comportamiento térmico del agua
30 de mayo de 2011 | 
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Ya sobre ese valioso elemento que es el agua, hemos avanzado un par de posts que convendría repasar antes de leer el presente. Ellos son:
Su definición y acción disolvente y su particular comportamiento en la dinámica lacustre.
Por otra parte, un tema que también sería bueno refrescar es el relativo al calor y la temperatura, para asimilar mejor lo que hoy vamos a abordar.
Nunca insistiremos bastante en los múltiples aspectos que nos importan del agua: como elemento labrador del paisaje, como recurso valioso y escaso, como vía de transporte, como hábitat de numerosas formas de vida, como constituyente de otros geomateriales, como requerimiento vital, etc., etc.
Sobre muchos de esos aspectos volveremos una y otra vez en el blog, razón por la cual, comprender las características del agua, su comportamiento y funciones, aparece como una necesidad.
¿Cómo se comporta térmicamente el agua?
Una interesante particularidad es que en un rango relativamente estrecho de temperaturas, pasa por los tres estados de la materia. En efecto, en sólo 100°C, cambia sucesivamente del estado sólido al líquido y al gaseoso y viceversa.
La mayoría de las sustancias requieren cambios térmicos mucho más amplios para ese pasaje.
Esto es sumamente interesante, porque permite que todo el ciclo del agua ocurra en temperaturas ambientales. Pero el ciclo será tema de otro post, porque es bastante más interesante de lo que se puede creer.
En una aparente paradoja, en tan breve espacio de la escala de temperaturas, (ya dijimos que se requieren apenas cien grados Celsius) es precisamente el agua una de las sustancias que consume más energía para esos cambios.
Esto tiene explicación en su estructura atómica, por una parte, y en conceptos relativos al calor específico de las sustancias, por la otra.
Para entender eso precisamente, es que un par de líneas más arriba les recomendé leer el post correspondiente, cosa que si no han hecho todavía, deberían hacer en este momento.
Asumiendo que ya han leído lo que les pedí, podemos aclarar entonces que ese alto consumo de energía para cambiar de estado, en tan corto intervalo de cambios de temperatura, es resultado del alto calor específico del agua.
En efecto, ella exige 1 caloría completa por gramo para cada grado de temperatura que aumenta. Eso es mucho más que para la gran mayoría de las restantes sustancias comunes.
Un muy buen ejemplo de este fenómeno lo provee el bañista que antes de recostarse a tomar sol sobre una piedra que asoma del agua en un río, la moja para no quemarse.
Si bien la piedra y el agua han recibido la misma insolación (cantidad de calor), el agua ha permanecido más fresca, porque requiere mucha más energía para alcanzar la misma temperatura que la roca, dado su elevado valor de calor específico.
¿Qué otros efectos tiene ese calor específico elevado?
Ese calor específico tan alto, es también el causante del efecto de moderación de los extremos climáticos que ejerce el agua. Por eso es que los climas mediterráneos tienen mucho mayor amplitud térmica que los oceánicos o costeros, debido a que en estos últimos hay una mayor «inercia térmica».
Se entiende como inercia térmica del agua, esa tendencia a permanecer más tiempo caliente durante los periodos de enfriamiento (nocturnos o estacionales), y más tiempo fresca durante el calentamiento (diurno o estacional), porque en cada caso debe perder o ganar una caloría por cada gramo, lo cual es mucho si se lo compara con lo que requieren los otros elementos del paisaje.
¿Por qué es tan elevado el calor específico del agua?
La respuesta debe buscarse en su estructura atómica.
Las uniones entre las moléculas adyacentes de agua, son ejercidas a través de sus átomos de Hidrógeno, en un fenómeno que se conoce como «enlace de Hidrógeno», que es el más fuerte posible entre moléculas, y que está ilustrado en la figura que encabeza el post, tomada de Sawkins et al. (1974).
Por esa razón se requiere tanta energía para su debilitamiento- el cual se expresa como una mayor temperatura- o su ruptura, la cual ocurre recién en el pasaje del estado líquido al de vapor.
Ya se ha dicho que el agua es probablemente una de las sustancias que más energía consume para aumentar cada grado de temperatura (1 caloría), pero en el punto crítico en que debe romper las uniones para cambiar de estado, requiere más de cinco veces la energía que emplea en pasar por todos los cambios desde el punto de congelamiento al de ebullición.
Ese valor de ruptura, que se conoce como calor de vaporización es de aproximadamente 580 calorías por gramo de agua. Obviamente, en el pasaje inverso- de vapor a condensación como líquido- esa energía antes consumida, es nuevamente liberada.
¿Tiene esto algún otro efecto observable?
Desde luego, uno muy interesante es el poder explicarnos por qué la hora más fría de la mañana es cuando comienza a asomar el sol, ya que en ese momento, el rocío y la humedad acumulados durante la noche son evaporados, cosumiendo 580 calorías por gramo, calor que extraen del ambiente, que se torna así más frío.
Eso explica también en parte la sensación de bochorno producida en los días de calor por lo que se conoce como calor latente, que es el que se encuentra retenido en la humedad atmosférica mientras se encuentra en estado de vapor, y que sólo será liberado durante la condensación, o removido por la circulación atmosférica.
Con esto por hoy ya tenemos bastante, pero sólo es un paso en el largo camino por recorrer para conocer un poco más sobre el agua.
Bibliografía:
ARGÚELLO.G. L. 2000. UNIDAD 3: Características físico químicas del agua. Su papel en los procesos geológicos. El ciclo del agua. Aguas superficiales y subterráneas, posibilidades de uso. Apunte para los alumnos del PROGRAMA DE POSTITULACIÓN EN CIENCIAS NATURALES. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CORDOBA. 15 Págs.
SAWKINS,F.J.; CHASE,C.G.; DARBY,D.G.; RAPP JR, G. 1974. «The evolving earth» Macmillan Publishing Co.Inc. New York.
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Un abrazo y hasta el miércoles. Graciela.
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En otras noticias, esa inercia términca es en gran medida responsable porque las temperaturas globales hayan aumentado ‘sólo’ 0,8ºC en el último Siglo. Si hacemos la cuenta teniendo en cuenta la sensibilidad climática y el aumento en las concentraciones de CO2 nos da un poco más alto (ahora no recuerdo el número).
No sabía que el agua consumiera más tanta energía en cambiar de fase. Siempre pensé que el calor específico se mantenía. De hecho, no recuerdo que nos hayan mencionado eso en las clases de física cuando aprendimos eso. Osea que para hacer hervir 1 gramo de agua que se encuentra a, por ejemplo, 10ºC se necesitan 90 calorías (para llevarla a 100ºC) más 580 para evaporarla (670 calorías), ¿entendí bien?
Sí, Daneel . así es, y esas particularidades definen el curso de numerosos procesos en el suelo y la atmósfera. Interesante, no te parece?
No entendí muy bien este argumento:
«Desde luego, uno muy interesante es el poder explicarnos por qué la hora más fría de la mañana es cuando comienza a asomar el sol, ya que en ese momento, el rocío y la humedad acumulados durante la noche son evaporados, cosumiendo 580 calorías por gramo, calor que extraen del ambiente, que se torna así más frío.»
Si el agua se evapora, es porque el sol la calienta lo suficiente. El agua al evaporarse no podría tomar más calor del ambiente, tornándolo más frío que antes de la evaporación… a menos, claro que tuviera un «demonio de Maxwell»… no puede ser que un día que amanece «nublado» sea menos frío que uno donde el sol pega de lleno, si el resto de las condiciones se mantienen… bueno, creo yo…
Es que, si te fijás bien, Terox, no estoy comparando dos días de diferente insolación, sino dos momentos del mismo día con igual ingreso de energía solar.
Lo que pasa es que a mucha gente le asombra que haga más frío cuando sale el sol que un par de horas antes, cuando no había ingreso de calor, y me parece interesante explicar ese fenómeno. Ocurre que del calor entrante, se invierte una gran cantidad en ese pasaje de un estado a otro del agua, y ese consumo energético se hace a expensas del calentamiento del aire, que cuando es tan incipiente como en las primeras horas de la mañana, da un balance que puede ser negativo, y de allí el enfriamiento al que hago alusión.
No sé si quedó más claro ahora. Se refiere a la curva de temperatura del mismo día, que suele tener una caída registrable, en momentos próximos a la aparición del sol. Y la gente lo nota. Yo escucho muy a menudo el comentario en el gimnasio, a donde llego antes del amanecer en invierno, (7 y 30 am) y casi siempre escucho eso de «ahora está más frío», a la salida, cuando ya hay sol. Un beso Graciela