viernes, febrero 25, 2011

Papel de aluminio en un horno | El Cedazo

Física Extraña (2): El misterio del Horno y el papel de aluminio.


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El otro día hablábamos del curioso efecto que se consigue con la aplicación de la fuerza centrífuga a un globo de helio y hoy nos vamos a dedicar a explicar otro curioso efecto de la física…
Para la receta de hoy necesitamos: un horno convencional (no de microondas), una lámina de papel de aluminio y unas castañas.
Castañas asadas
Madre mía, qué pintaza más rica...

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Vale, las castañas no hacen falta, pero, ya que estamos, por lo menos aprovechar el experimento ¿no?

Física Extraña: El misterio del Horno y el papel de aluminio.


Desde que éramos muy requeteniños una de las frases más repetidas que hemos escuchado es “no toques eso, que te vas a quemar”, e, inexplicablemente, nadie le hicimos nunca mucho caso a esas sabias palabras hasta que nos quemamos por primera vez… algunos, más de una.
¡¡Así es el ser humano!! Tonto como las piedras para las cosas más elementales.
Niña viendo al comida dentro de un horno
¿Que no toque eso? Sabras tú...
Así llegó ese maravilloso día en el que se abrieron los cielos, una luz cayó sobre nosotros, alzamos el puño y dijimos: ¡¡A Dios pongo por testigo de que nunca más tocaré nada del horno sin manoplas!!
Pero… ¿Existe algún material que desafíe al todopoderoso horno?
(A todos los que hayáis leído el título esto no os va a sorprender, pero…) ¡¡Sí que existe!! (redoble de tambor) ¡¡El papel de aluminio!!! (timbales y fanfarrias).
Os propongo el siguiente experimento: preparad una lámina de aluminio de “tamaño terciao” (DIN-A4 está bien, aunque un poco más grande no pasa nada), cargarlo convenientemente de una ración de castañas (esto último es opcional, pero acordaros de hacerles una raja, que, si no, explotan) dejadlo directamente sobre la plancha inferior (directamente, la que aporta el calor) y encended el horno para que se caliente decentemente.
Deberéis de abrir el horno cada cierto tiempo para dar una vuelta a las castañas, que si se hacen siempre por el mismo sitio se queman… Ojo, esto sí que tenéis que hacerlo con manoplas u otro utensilio vario.
Observareis dos cosas:
  • La primera (y más importante) es que os he contado un truco para que las castañas queden como las del castañero, incluso con esos quemazones negros que están tan ricos y que no se consiguen con sartenes o asándolas sobre la parrilla.
  • La segunda (la excusa para contaros la anterior) es que a la hora de extraer las castañas del horno podéis coger la lámina de aluminio por las esquinas sin quemaros, y no sólo eso, sino que ni siquiera parecerá estar caliente.
(NOTA: Para no quemaros es importante que la esquina de la lámina de aluminio este elevada sobre la plancha de metal; suele quedar así de forma natural, pero si veis que la esquina que vais a coger está en contacto con la plancha o con alguna castaña, darla un meneo hasta que se eleve la esquina para poderla coger con seguridad).
¿Cómo es posible que algo que estaba posado sobre una plancha a… ¿250? grados pueda cogerse como si nada?
¡¡¡Maldita sea el horno!!! ¡¡¡Nada de favoritismos!!! ¡¡¡En esta casa se respetan las leyes de la termodinámica!![1]
Como todo, tiene explicación.

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Y como la otra vez, te doy la oportunidad de pensarlo un poco antes de contártelo.

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Si sigues un poco más, encuentras la respuesta.

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Antes de explicarte en concreto por qué la lámina de aluminio no quema, te diré que para quemarte un material tiene que cumplir tres condiciones:
  • La primera es que el material se encuentre a una temperatura lo suficientemente elevada como para causarte una quemadura.
  • La segunda es que el material contenga el suficiente energía térmica (energía: calorías, julios, kilowatios-hora… ya sabéis que hay muchas unidades para medir lo mismo) como para quemarte.
  • La tercera es que el material sea capaz de transmitirte esa energía a la suficiente velocidad.
Esto en muchos ámbitos no físicos suele representar una sorpresa. ¿No es lo mismo calor que energía térmica que temperatura?
Me temo que no, luego pondremos un símil para que se entienda mejor, pero la clave está en que no todos los materiales tienen la misma “capacidad calorífica”.
¿Y eso qué es? La capacidad calorífica es la relación que hay entre la temperatura que alcanza un cuerpo y la cantidad de energía calorífica que contiene. Hay cuerpos a los que hace falta darles mucho calor para elevar un poco su temperatura, mientras que otros con un poco de energía es suficiente para elevar mucho su temperatura.
La tercera condición se refiere a que no todos los materiales tienen la misma facilidad para soltar la temperatura, los metales cogen y sueltan energía térmica muy deprisa (y por eso son malos aislantes) mientras que la madera necesita más tiempo para calentarse o enfriarse (y por eso es un buen aislante), a esto se le llama “calor” que es la transmisión de energía térmica de un cuerpo a otro.
Ok, ya tienes toda la información que te hace falta, pero posiblemente todavía no hayas comprendido nada, así que te voy a poner el símil de garrafón sobre cómo se comporta la temperatura, que es la forma mediante la que la mayoría de la gente ha entendido esta explicación.
Imaginémonos una serie de depósitos de agua.
Imaginémonos que los llenamos de agua hasta alturas arbitrarias (algunos los llenamos hasta que el agua alcanza un metro de altura y otros 3 ó 4, incluso algunos los dejamos vacíos).
Imaginemos que son de diferentes tamaños (unos finos como un vaso de tubo y otros gordos como un campo de fútbol).
Ahora imaginémonos que los unimos entre sí por una serie de tuberías (con las espitas cerradas por ahora), unas finas como una pajita y otras gordas como túneles de metro.
Llegado el momento dado abrimos las espitas todas de golpe y vemos qué es lo que ocurre.
Bueno, sabemos por el principio de los vasos comunicantes que el agua empezará a fluir desde los depósitos que tienen un nivel de agua mayor (altura de agua) hacia los que tienen una altura menor en sus niveles de agua.
Explicación grafica sobre los vasos comunicantes
Flujo de agua del vaso estrecho pero con mayor altura al vaso ancho
Fíjate que la cantidad de agua del depósito es irrelevante: si el campo de fútbol tiene una altura de 1 metro de agua y el vaso de tubo tenía 3 metros de altura, el agua fluirá del vaso de tubo al campo de fútbol, a pesar de que el campo de fútbol, contiene, en números absolutos, mucha más agua que el vaso de tubo.
Esto puede parecer anti-intuitivo y quizás dar pie a otro artículo de física extraña, pero en realidad funciona así siempre, los lagos descargan su agua en el mar a pesar de que el mar contiene mucha más agua porque… es cuesta abajo.
Igualmente, para el agua que está a tres metros de altura, fluir hacia el campo de fútbol con sólo un metro de agua… es cuesta abajo.
La velocidad a la que ese agua va a desplazarse depende del grosor de la tubería, cuanto más gorda sea más paso de agua va a admitir, y cuanto más fina, más dificultades pondrá al paso del agua y por lo tanto más despacio se hará la descarga.
Bien, ya lo tenemos todo: El movimiento de la energía térmica funciona igual.
La temperatura es “la altura de agua en los depósitos”.
La energía térmica es “la cantidad de agua en los depósitos” (que, como ves, depende de la altura que alcanza el agua y del grosor del depósito o, en nuestro horno, de la capacidad calorífica del material).
La capacidad que el material tiene para transmitir la temperatura depende del grosor de la tubería que le une a otros materiales y eso va a determinar el “calor” que sientes por la transición de la energía.
Y nosotros nos quemamos cuando la temperatura supera un cierto umbral.
¿Qué tiene que ocurrir para que nos quememos?
  • Que el depósito que nos transmite la temperatura tenga una altura de agua (temperatura) por encima de nuestro umbral para quemarnos, si no, es imposible que lo consiga.
  • Que el depósito contenga la suficiente agua (energía) como para llenar nuestro depósito por encima del umbral de quemadura.
  • Que sea capaz de transmitirnos esa agua (velocidad de transmisión de energía osea calor) más deprisa de lo que nosotros transmitimos el agua (energía) a otros depósitos
¡¡Ya casi estamos!! ¿Y por qué el papel de aluminio no sólo no nos quema, sino que parece que está a temperatura ambiente?
Bueno, la lámina se encuentra a la temperatura del horno, unos 250 grados, pero tiene 2 problemas a la hora de causar quemaduras.
  • El primero es que el aluminio, como la mayoría de los metales, es un mal almacén de energía calorífica, es decir, tiene una capacidad calorífica baja. Esto por sí sólo no explica por qué no te quemas, porque te aseguro que un lingote de aluminio sí sería capaz de freírte la mano.
  • El segundo es que es laminar, y dado que el aluminio no aporta grandes almacenes de energía, si encima hacemos que el almacén sea pequeño porque reducimos al mínimo la cantidad de material que hay, el problema se multiplica.
Me he molestado en buscar algunos datos. El grosor de la lámina de aluminio es de como mucho 0.2mm mientras que la epidermis de tus dedos tiene un grosor de 1.5mm, es decir, como poco unas 7 veces más.
La capacidad calorífica del aluminio es de 0.9 (j/gr K) mientras que la del agua es de 4.18 (j/gr K); no es cierto que nuestra piel sea sólo agua, pero valga como aproximación.
Eso quiere decir que para que la lámina de aluminio más gorda del mercado eleve toda nuestra epidermis un grado, debe de entregar energía que la reduzca en temperatura a sí misma 35 grados.
O sea que, groso modo, si la lámina estaba a 250 grados tiene capacidad para aumentar la temperatura de nuestra epidermis unos 6 grados centígrados (en realidad menos, pero no importa), insuficiente para producir una quemadura. ¡¡Y ni siquiera hemos llegado a atravesar la capa más exterior de la piel!!
¡¡Profe, profe!! ¿Puedes ponernos un ejemplo de cuerpo que no es capaz de transmitir la energía lo suficiente rápido como para quemarnos?
Me alegra que me hagáis esa pregunta, de hecho sí, te diría rápidamente que cualquier objeto que pudiera quemarte y no lo esté haciendo es porque el tubito que os une es demasiado delgado.
Pero pondré un ejemplo “de los gordos”.
El sol es un buen ejemplo de cosa que está lo suficientemente caliente como para quemarte (y hacerte muchas cosas más), contiene suficiente energía como para hacerlo (de hecho contiene energía como para no dejar de ti ni una triste ceniza) y sin embargo no lo hace porque no es capaz de transmitir su temperatura lo suficientemente rápido como para darte tiempo a disiparla.
Por seguir con el símil del agua, sería lo que podríamos llamar una mierdorromez de tubito de una cojonésima de diámetro.
Y hasta aquí llega un poco la física extraña de hoy. Os recuerdo que esta serie pretende ser colaborativa, así que el que quiera añadir sus propios conocimientos es más que bienvenido.
Por otro lado, he pensado que igual alguien tiene alguna física extraña para la que no conoce la respuesta, siempre podéis “dejarlo caer” en los comentarios a ver si hay suerte y podemos darla respuesta.
Un saludo. Y recordad: ¡respetad las leyes de la termodinámica! :P
  1. Ésta lleva camino de convertirse en la frase de la serie []


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