Usar hielo para hervir agua: nueva forma de transferencia de calor

Usar hielo para hervir agua: nueva forma de transferencia de calor

Un grupo de investigadores han hecho un descubrimiento de transferencia de calor con hielo que amplía un principio del siglo XVIII y podría tener importantes aplicaciones a la hora de enfriar equipos informáticos o motores


Todos sabemos que el agua puede existir en tres fases: un sólido congelado, un líquido y un gas. Y también somos conscientes de sus propiedades: cuando se aplica calor a un hielo, se convierte en líquido, mientras que cuando se aplica al líquido, se convierte en vapor, en el proceso que se conoce como hervir. Sin embargo, cuando la fuente de la que proviene el calor alcanza una cierta temperatura, el comportamiento del agua cambia drásticamente. Por ejemplo, si echamos una gota de H2O sobre una placa de aluminio a más de 150 grados centígrados, el vapor que se forma quedaría atrapado bajo el líquido y provoca que la gota «levite» sobre la superficie calentada. Este principio, conocido como efecto Leidenfrost, fue descubierto en el siglo XVIII por el científico alemán del mismo nombre.

Sin embargo, hasta ahora no se había dilucidado si este fénomeno se repitiría en caso de sustituir el agua por hielo. Y eso es precisamente lo que han investigado dos científicos de la universidad estadounidense Virginia Tech. El profesor asociado Jonathan Boreyko y el raduado Mojtaba Edalatpour han hecho un descubrimiento sobre las propiedades del agua que podría proporcionar una interesante adición a este fenómeno establecido hace más de dos siglos y suponer importantes aplicaciones prácticas en el campo de la ingeniería industrial.

El proyecto, que surgió hace hace unos cinco años en forma de un proyecto de investigación del entonces estudiante universitario Daniel Cusumano, es calificado por Boreyko de «fascinante». En un principio, observaron que incluso cuando el aluminio se calentaba por encima de 150 grados, el hielo no levitaba sobre el vapor como el líquido. Los científicos siguieron elevando la temperatura, hasta descubrir que lo que pasaba era que el umbral para la levitación era muchísimo más alto de lo previsto y se requerían unos elevados 550 grados para poder observar el efecto Leidenfrost.

¿Qué estaba pasando debajo del hielo que prolongó la ebullición? Poco después de que el proyecto fuera retomado por el estudiante graduado Mojtaba Edalatpour, se resolvió el misterio: la respuesta estaba en el diferencial de temperatura en la capa de agua de deshielo debajo de la zona congelada, que tiene dos extremos diferentes. Y es que, por un lado, su parte inferior está hirviendo, lo que fija la temperatura en unos 100 grados centígrados, pero su parte superior está adherida al hielo restante, manteniendo la temperatura en cero.

En concreto, el modelo reveló que el mantenimiento de esta temperatura extrema diferencial consume la mayor parte del calor de la superficie, lo que explica por qué la levitación era más difícil para el hielo. “El diferencial de temperatura que el hielo está creando de manera única a través de la capa de agua ha cambiado lo que sucede en el agua misma, porque ahora la mayor parte del calor de la placa caliente tiene que atravesar el agua para mantener ese diferencial extremo. Entonces, solo una pequeña fracción de la energía se puede usar para producir vapor”, explica Boreyko.

Usar hielo para hervir agua

Según apuntan los investigadores, el agua hirviendo transporta el calor de manera óptima lejos del sustrato, lo que explica porque se siente mucho calor saliendo de una olla de agua hirviendo, pero no de una olla de agua simplemente caliente. Esto significa que la dificultad de hacer levitar el hielo en realidad es algo bueno, ya que el tener una ventana de temperatura mucho más grande para hervir dará como resultado una mejor transferencia de calor en comparación con el uso de un líquido.

Esta novedosa forma de transferencia de calor podría tener muchas aplicaciones prácticas, especialmente para enfriar objetos como los servidores informáticos o los motores de los automóviles. Y es que ambas tecnologías requierer una sustancia o mecanismo que pueda alejar la energía de la superficie caliente, redistribuyendo el calor rápidamente para reducir el desgaste de las piezas metálicas. Además, en las plantas de energía nuclear, la aplicación de hielo para inducir un enfriamiento rápido podría convertirse en una medida de emergencia de fácil implementación si falla el suministro eléctrico, o en una práctica habitual para dar servicio a las partes de la planta de energía.

propiedades agua
El agua es un líquido cargado con propiedades asombrosas.

También hay aplicaciones potenciales para la metalurgia. Para producir aleaciones, es necesario extinguir el calor de los metales que han sido moldeados en un lapso de tiempo estrecho, lo que hace que el metal sea más fuerte y menos quebradizo. Si se aplicara hielo, permitiría que el calor se descargara rápidamente a través de las tres fases del agua, enfriando rápidamente el metal. De hecho, Boreyko también prevé incluso un gran potencial de este descumbrimento para aplicaciones en extinción de incendios.

“Se podría imaginar tener una manguera hecha especialmente que está rociando pedazos de hielo en lugar de un chorro de agua”, asegura Boreyko. «Esto no es ciencia ficción. Visité una empresa aeroespacial que tiene un túnel de formación de hielo y ya tienen esta tecnología en la que una boquilla rocía partículas de hielo en lugar de gotas de agua”. Y es que, ante las innumerables posibilidades de su descubrimiento, Boreyko y Edalatpour se confiensan «entusiasmados» con este nueva contribución que ha llegado para quedarse al mundo de la ciencia.



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