Condensación en latas: el efecto botijo inverso

En el verano de 2009 descubrí el interés de unos dispositivos, aparentemente ultrapijos, consistentes en un abriguito de neopreno para las latas de bebida. Estas fundas se venden sobre todo como regalo promocional, aunque también se pueden comprar.

Cuando se vive en una zona sometida al régimen de brisas, una de las cosas curiosas que ocurre es que el ambiente está siempre cercano al 100% de humedad. Al menos de día, en toda la fase del ciclo en que el viento viene de mar a tierra: el aire que está sobre el mar se carga con el 100% de agua que puede llevar disuelto.

Ese aire circulante cargado de humedad resulta agresivo. Cualquier pieza de hierro expuesta se oxida a una velocidad llamativa, la comida se arruina: el pan está chicloso, las galletas no crujen, los frutos secos se enrancian... La capacidad de humedecer y oxidar que tiene ese viento cargado de humedad es tremenda.

En cuanto se saca una bebida de la nevera, una botella o una lata, se empizan a formar gotitas de agua en su superficie. Como ya vimos en otra ocasión, la cantidad de agua que cabe disuelta en el aire cambia con la temperatura, y es menor en el aire frío; así el agua sobrante se "desdisuelve" formando gotitas. Como la humedad es mucha, esas gotas engordan enseguida, y escurren hacia abajo: los posavasos se hacen imprescindibles. Pero aparte de la incomodidad de que la bebida quede empapada por el exterior, ocurre que se calienta muy rápidamente. Se trata del "efecto botijo inverso". La clave del funcionamiento del botijo es el hecho de que la evaporación enfía; así al irse evaporando el agua que rezuma por su paredse va refrescando la que queda dentro. Pero recíproca también es cierta: la condensación calienta. Así que toda el agua que se condensa en el exterior de la lata le roba el frescor, la calienta.

Ahí es donde una buena funda de noepreno entra en juego. Al cubrir la superficie de la lata con una material muy aislante el viento no entra en contacto con la superficie fía del metal de la lata y no se condensa. No hay churretes de agua y no hay calentamiento acelerado. Excelente.

Es muy probable que esas fundas de neopreno no tengan un efecto significativo en el tiempo que tarda uno en beberse una cerveza en Soria o en Cáceres (ejemplos de ciudades de interior dónde la humedad del aire rara vez se acerca al 100%), pero en las franjas litorales sometidas al rágimen de brisas, la diferencia es muy significativa: merecen la pena.

Como comentaron en su momento en la entrada del otro blog, el calentamiento total de la lata se deberá en parte al "efecto botijo inverso" (la condensación del agua) y en parte al calentamiento puro, por transmisión, por estar en aire a 38ºC. Cierto, habría que realizar medidas para separar ambos efectos.

El año siguiente intenté cuantificar los efectos, y para ello me llevé medidores de temperatura (no termopares, sino termorresistencias). Luego la pereza hizo que sólo realizara el primer experimento, la comparativa de cómo se calienta la lata con y sin el neopreno. En la figura puede verse el sistema experimental y la gráfica con los resultados. Al aire húmedo y a 38 grados, la lata se pone a temperatura ambiente en una hora, mientras que con el neopreno en ese tiempo aún está a 30 grados, temperatura que alcanzaba la lata desnuda en 20 minutos. El efecto es muy significativo, en esas condiciones resultan muy útiles.

Este diseño experimental requeriría repetir el experimento en un ambiente seco, para ver el efecto de la transmisión de calor sin la contribución de la condensación, y ese segundo experimento se quedó sin hacer.

Afortunadamente otras personas (Dale R. Durran and Dargan M. W. Frierson, concretamente) han retomado la cuestión, haciendo experimentos cuidados y publicando sus resultados en Physics Today (Condensation, atmospheric motion, and cold beer, un título tan genial como el artículo, al que además se puede acceder gratuitamente).
  
En vez de aprovechar el ambiente natural de las vacaciones, han utilizado un sistema de laboratorio, con una cámara climática, un equipo en el que se puede controlar la temperatura y la humedad ambiente en un recinto cerrado. En esa cámara han colocado recipientes re refresco con agua a 0ºC y los han mantenido en unas condiciones concretas durante 5 minutos. Este proceso lo han repetido para diferentes temperaturas y humedades muchas veces. En cada caso, además de ver cuanto subía la temperatura del agua, pesaban el recipiente con precisión. Esa pesada sirve para conocer la cantidad de agua que se ha condensado; con ese dato, conociendo el calor latente de cambio de fase se puede saber la coantidad de calor involucrada en la condensación. De esa forma se puede estimar con bastante precisión que parte del auménto total de temperatura se debe al efecto botijo inverso y cual al calentamiento "normal".

En el sitio web del artículo (el material extra), hay varias gráficas con los datos obtenidos en diferentes condiciones. He copiado aquí el caso de los experimentos hechos en aire a 35ºC (la situación más próxima a mis cutre-experimentos playeros). Con aire a esa temperatura hicieron medidas a muchas humedades diferentes, que es lo que se representa en el eje x de la gráfica. Cada experimento da dos resultados: el calentamiento total (punto relleno) y la parte del mismo que se debe a la condensación (punto hueco). Se ve que la diferencia, que corresponde a la parte debida al calentamiento por transmisión es más o menos constante en todos los casos, mientras que la condensación, como era de esperar, es la responsable de que a mayores humedades del aira más se caliente la lata. Al 90% de humedad el aumento de temperatura es de caso 11ºC de los que 7 se deben a la condensación. 

He sabido de este interesante artículo por el blog Francis (th)E mule Science's News

Con las heladas hay más descargas de electricidad estática

Anoche llegó a -7ºC la temperatura en Atlanta, parecido hizo en Pamplona el 14 de diciembre de 2009, cuando se publicaba por primera vez la entrada que adapto ahora.

Por si no os habíais fijado, las descargas de electricidad estática, esas chispitas que sentimos a veces al darle la mano a alguien o al tocar un coche u otro objeto metálico, ocurren con mucha frecuencia cuando la temperatura ambiente está por debajo de cero.

Las descargas de electricidad estática son chispas, paso de corriente eléctrica a través del aire, que se producen entre dos puntos con cargas eléctricas de distinto signo: la mano de quien las sufre y la de un amigo, o la puerta del coche o lo que sea. Los dos cuerpos cargados van acercándose y cuando la distancia es suficientemente pequeña salta la chispa. En casos en que las acumulaciones de carga son inmensas, las chispas pueden recorrer espacios muy grandes, es el caso de los rayos: chispas entre nubes (o nube y suelo) que acumulan cantidades inmensas de carga.

La materia está compuesta por cargas eléctricas que tienden a estar siempre equilibradas, la misma cantidad de unas y de otras, quedando el objeto neutro. Sin embargo el rozamiento de unos respecto de otros cambia cargas de sitio, dejando unos cuerpos cargados respecto de otros. A esa carga se le llama electricidad estática en contraposición con la corriente eléctrica, dónde las cargas están moviéndose por los cables.

Las acumulaciones de carga que produce el rozamiento tienden a neutralizarse más o menos rápido. Esa neutralización normalmente se produce de forma suave a través de las superficies de los objetos, que, aunque no lo notemos, están recubiertas de una película de aire y humedad. Cuando la humedad relativa del aire es baja las superficies se secan y se hacen menos conductoras, entonces las cargas acumuladas tienen más dificultad para encontrar caminos por los que circular hasta neutralizarse de forma suave. Quedan más tiempo acumuladas y, por tanto, es más probable que haya un encuentro fortuito de cuerpos con cargas diferentes y salte la chispa.

No son muy habituales las situaciones meteorológicas en las que la humedad relativa del aire sea muy baja. La más común ocurre cuando hace mucho frío. La cantidad de agua que le cabe al aire depende de la temperatura: cuato más frío el aire menos agua cabe, y a partir del punto de congelación no le cabe nada, el aire bajo cero está totalmente seco. Por eso los congeladores hacen hielo (o lo hacían antes de los sistemas no frost), cada vez que lo abres entra aire de fuera con algo de humedad y al cerrarlo se enfría y precipita su agua en forma de hielo, y así día tras día, pero no se trataba ahora de neveras.

Así pues en temporadas de heladas profundas y duraderas la humedad relativa del aire se hace muy baja, con ello las superficies se secan y disminuyen las vías de descarga de las zonas cargadas por el rozamiento. Es por eso que con ese tiempo se hacen más probables las descargas de electricidad estática.

Las descargas de estática también se favorecen con los zapatos de suelas gordas de goma que evitan la descarga suave hacia el suelo y con tejidos acrílicos (moquetas o jerséis) que producen un rozamiento especialmente bueno para producir cargas.

Las chispas de estática tienen poca energía, la carga que acumulamos las personas nunca es demasiado grande, por eso aunque produzcan una sensación desagradable, son inofensivas. Son inofensivas para las personas, pero no para dispositivos electrónicos en los que se manejan corrientes muy pequeñitas. Por eso en los laboratorios en los que se trabaja con componentes y equipos sensibles a las descargas de estática (electrostatic discharges o ESD en inglés) hay que tomar precauciones especiales para evitarlas.

Por cierto, la primera foto es de aquí.la segunda de aquí y la tercera de aquí.