miércoles, mayo 11, 2011

Física extraña (5): soplar para enfriar, soplar para calentar

Física extraña (5): soplar para enfriar, soplar para calentar


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Sopa de nido (fisherwy.blogspot.com, cc-by-sa)
Como Rantamplan nos ha recordado a menudo, intentamos que esta serie sea comunitaria, así que vamos a escribir algo.
Había un pasaje de un libro que me obligaron a leer en mi niñez en el que un personaje soplaba sobre la sopa porque quemaba, y un par de párrafos más adelante se echaba el aliento sobre las manos para calentárselas porque hacía frío. Y el protagonista (parece ser que con pocas luces) decía que ese tipo no era de fiar, porque soplaba para enfriar y soplaba para calentar. No recuerdo si era en El Lazarillo de Tormes, o en El Buscón o dónde. Si alguno de nuestros lectores lo recuerda, que deje un comentario y lo añadimos aquí.
El caso es que la experiencia nos dice que el sistema funciona, pero si lo pensamos un poco, va contra la intuición. Quiero decir que… el aire sale de nuestros pulmones, con lo cual estará aproximadamente a 37º… ¿cómo es posible que a veces lo utilicemos para enfriar y otras para calentar?
¿Cuál es la base física de eso?

Existen varios mecanismos que hacen esto posible.
PRECAUCIÓN: vamos a usar el término “calor” en su significado coloquial, no en su significado físico. Por si quieres profundizar, has de saber que cuando aquí decimos “calor”, el término físico correcto es “energía“.

Efecto “pues claro, menuda estupidez”.

El primero de los efectos es tan tonto que alguno podrá decir que ni siquiera merece explicación: cuando soplamos para enfriar es porque la “cosa” está caliente; y cuando soplamos para calentar es porque la “cosa” está fría.
De perogrullo.
Si estamos soplando la sopa, es que la sopa está a 80º o 90º, recién salida de la olla. Si el aire que sale de nuestros pulmones está a 37º, está más frío que la sopa, y por lo tanto, la enfría.
En cambio, si estamos en la nieve y nuestros dedos están helados, les echamos el aliento encima y se calientan. Claro. Nuestros dedos están a la intemperie, fuera hace -5º, están fríos. Si el aire que sale de los pulmones está a 37º, los calentará.
Pues claro, menuda estupidez.
Pues eso, ya lo decía yo en el título.
Un efecto parecido (basado en experiencia personal): estás en la calle, pintando una pared al aire libre, en invierno. Las manos se quedan frías, muy frías, pero bueno, haces el esfuerzo, terminas de pintar la pared y te metes a lavarte las manos. Te las lavas con “agua fría”, pero… ¡Au! ¡Quema! Claro, es que las manos se han enfriado mucho mucho en la intemperie, y si el agua está a 10 ó 12 grados, a tus manos les parece muy caliente.
Pero solo esto no es suficiente. Compruébalo ahora mismo. Échate el aliento en los dedos y notarás que se calientan… luego sóplales y verás que se enfrían. Y ni la temperatura de la “cosa” (tus dedos) ni las condiciones de entorno han cambiado…

Efecto Joule-Thomson

El segundo efecto es el efecto Joule-Thomson.
Veamos lo que ocurre cuando soplamos para calentar: expulsamos el aire de los pulmones, pero con la boca relativamente abierta… el aire sale despacito por la boca. Así que sale a unos 37º.
Pero, ¿qué ocurre cuando soplamos para enfriar? Lo que hacemos es cerrar la boca casi del todo, para que salga un chorro fuerte, con mucha presión, por un agujerito relativamente pequeño. El caso es que en cuanto ese chorro de aire sale de nuestra boca se encuentra a mucha menos presión, de modo que se expande rápidamente (es lo que se conoce como efecto Venturi).
El efecto Joule-Thomson dice entre otras cosas que cuando el aire se expande, se enfría.[1] Eso causa que el aire, que en nuestra boca está a 37º, rápidamente se enfría unos cuantos grados cuando sale a través de los labios semicerrados.
Un efecto parecido a este es el que aprovecha el extremo enfriador de un aparato de aire acondicionado (el otro extremo, que es el que se calienta, es el que se pone fuera de la vivienda) o un refrigerador: primero comprimimos un gas, que se calienta, y tiramos ese calor a la calle; luego lo metemos en la vivienda, lo expandimos y se enfría, enfriando la habitación.
Otro sitio donde se nota mucho es en esas bombonitas de gas azul que se usan para cargar los mecheros de gas: el gas está dentro de la bombona, a presión. A través de la válvula lo metemos en el mechero, pero casi siempre se nos mueve un poco y se acaba escapando un poco de gas, que nos da en las manos, ¡y está muy frío! Al salir a la atmósfera ha disminuido su presión y se ha enfriado.

Efecto Venturi

Esquema del efecto Venturi (HappyApple, dominio público)
El efecto Venturi tiene todavía otro efecto en nuestro problema del soplido (valga la redundancia). Aunque conocía el efecto Venturi, hasta que no me he puesto a escribir este artículo no me había dado cuenta de que efectivamente tiene también su efecto sobre este soplido frío, gracias a que Pedro me lo ha señalado. Las fuentes que yo conocía para explicar el enfriamiento al soplar no le daban la importancia debida a este efecto (probablemente porque yo las estaba entendiendo mal), pero una vez que Pedro me lo ha señalado me resulta tan obvio que afecta que tengo que contarlo también.
Cuando el aire sale de nuestros labios semicerrados, como hemos visto, sufre una rápida descompresión. Al estar a menos presión, “absorbe” el aire de los alrededores, que se mezcla con el aire que está saliendo de nuestra boca y sale disparado hacia donde esté apuntando nuestro soplido (es decir, nuestra sopa).
En el esquema de la derecha vemos un típico tubo de efecto Venturi: el aire viene por nuestra garganta y boca (que es la parte gorda del tubo y el primer tubito vertical); sale por los labios semicerrados (que es la parte estrecha); y se vuelve a expandir, reduciéndose la presión, y absorbiendo el aire del segundo tubito vertical (que representa el aire que rodea nuestra cara).
La gracia está en que ese aire alrededor de nuestra cara está a menos de 37º, por lo que se mezcla con el aire de nuestros pulmones, enfriándolo. Este efecto se produce a la vez que el aire caliente interior se va expandiendo y enfriando por culpa de Joule-Thomson, hasta que se equilibran la presión y la temperatura.

Efecto convección forzada

Sabemos que otra forma de transmitir calor de un sitio a otro es por convección de fluidos (cuidado con el cuadro rojo del artículo de Pedro, que es precisamente al que nos referimos ahora): el aire que está en contacto con la sopa se está calentando debido a ella. Sabemos que los gases calientes tienden a subir (al calentarse, se expanden ocupando más volumen, son menos densos, y flotan más), por lo que ese aire caliente acabará subiendo, alejándose de la sopa (y llevándose el calor con él) y dejando entrar a otro aire que no estará tan caliente.
Y esto, ¿qué tiene que ver con nuestro soplido? Esto ocurre tanto si soplamos como si no…
Pues sí, pero ocurre muy despacio. Esto es lo que hace que la sopa se enfríe simplemente por estar ahí en el plato, sobre la mesa… pero tarda un poquito.
La sopa está a 90º, y el aire a 30º (si hace más calor que eso, ya no apetece tomarse la sopita), así que la sopa empieza a transmitirle calor al aire que está justo sobre ella. Ese aire se va calentando, lentamente, pasa a estar a 31º, 32º, 33º… despacito. Y a la vez se va expandiendo. Despacito, poco a poco… cuando va estando a 40º ese aire ya se ha expandido mucho y sube, dejando entrar aire nuevo a 30º. Os podéis imaginar que esto no ocurre a trompicones, sino que es algo progresivo… el aire se va calentando, expandiendo, subiendo, renovando… todo a la vez. Pero despacio.
Convección "natural"
Cuando soplamos, como hemos visto antes, el efecto Venturi hace que el aire salga muy rápido, de modo que nuestro soplido remueve rápidamente el aire que hay sobre la sopa. Fijaos en que antes, cuando el aire se calentaba lo suficiente, se alejaba… pero ahora, al soplar, el aire se mueve aunque se haya calentado poco, aunque la expansión producida por su calentamiento no lo hubiera hecho subir aún. Así el aire se renueva, llevándose el calor incluso antes de que “le toque”. Se lleva menos en cada movimiento, porque no le ha dado tiempo a calentarse mucho, pero se mueve más a menudo. El resultado neto es que se lleva el calor más rápido (la sopa se enfría más rápido).
Convección forzada
Esto es básicamente lo que hace un ventilador: nuestra piel calienta el aire a nuestro alrededor y el movimiento del ventilador se lleva ese aire tibio. Y también lo que hace que el frío con viento sea más frío que el frío sin viento (lo que se conoce como “sensación térmica”, que puede ser la temperatura real o no, dependiendo del viento, la humedad…).

Efecto “conducción forzada”

Queda un efecto más, que creo que es minúsculo, pero bueno. Lo he llamado “conducción forzada”, porque no sé si tiene nombre.
En el efecto anterior, convección forzada, hemos visto que el aire que hay junto a la sopa se calienta al estar en contacto con ella. Es decir, el calor pasa de la sopa al aire por conducción: simplificándolo mucho, cuando una molécula de sopa entra en contacto con una molécula de aire, le da su calor.
Pero claro, comparado con la sopa el aire es muy “tenue”, muy poco denso, tiene pocas moléculas, así que este efecto es relativamente lento, porque relativamente pocas moléculas de aire llegan a entrar en contacto con las de sopa.
Pero, por lo visto cuando soplamos sobre la sopa, durante un pequeño instante estamos aumentando la presión sobre esa película de aire que cubre la sopa, de forma que el aire se “espachurra” contra la sopa, habiendo más moléculas de aire que tocan a moléculas de sopa, capturando su calor.

Soplar para enfriar la sopa

¿Quién iba a pensar que soplar iba a resultar tan complicado, cuando hasta los niños de dos años saben hacerlo, verdad? Obviamente, el resultado final depende de una mezcla de todos esos efectos. Dependiendo de las condiciones del entorno, unos serán más importantes y otros menos (o incluso despreciables).
Ahora que ya sabemos un montón de física, ¿podemos soplar para enfriar la sopa?
Pues no, porque es de mala educación. Un truco es sorberla de la cuchara, dejando entrar aire a la vez que sopa, como si la sopláramos hacia adentro, pero… eso es aún más maleducado.
Así que lo mejor es removerla suavemente, esperar unos minutos, y coger la sopa de los bordes del plato, que estará más fría… ¡qué hambre me está entrando!
  1. Si conocéis el efecto Joule-Thomson de verdad, o si simplemente seguís el enlace a la Wikipedia, veréis que en realidad eso depende del gas en cuestión, de la temperatura de partida y de la presión a la que se encuentra… pero nuestro lema es “simplista antes que incomprensible” y para las condiciones de temperatura y presión que tenemos nosotros en la vida cotidiana y para nuestro aire respirable: cuando se expande, se enfría. []

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