Respuestas sorprendentes a preguntas cotidianas
7. ¿Se puede hervir un huevo en la cima del Everest?
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CAPÍTULO
7
¿Se puede hervir un huevo en la cima del Everest?
Un concepto que me dejó especialmente fascinado cuando era pequeño era el de hielo seco. ¿Cómo podía existir un tipo de hielo que se evapora sin pasar por un estado líquido y que siempre está a –78,5 ºC? ¿Qué diablos le habían hecho al agua para que se comportara así? ¿De qué tipo de lago extraño la habían sacado? Más tarde me enteré de que el «hielo» puede estar hecho de muchas sustancias diferentes, no solo de agua. En realidad, puedes convertir en hielo cualquier líquido cotidiano que se te ocurra, como el aceite, el alcohol o la acetona, pero no solemos encontrar estas sustancias en estado sólido en nuestro día a día, porque se congelan a temperaturas muy bajas.
Pero, bueno, el caso es que luego me enteré de que ese hielo seco no está hecho de agua, sino de dióxido de carbono, el mismo gas que se emite al exhalar o durante la quema de combustibles fósiles que está cambiando el clima de nuestro planeta. El hecho de que el hielo seco esté compuesto por una sustancia distinta explicaba por qué es más ligero que el hielo de agua común, pero seguía sin entender por qué ese sólido se evaporaba directamente, sin pasar por un estado líquido... Pero, como era de esperar, ese misterio que me parecía tan extraterrestre se había resuelto hacía mucho tiempo.
Ya estamos. ¿Y qué tiene que ver todo esto con el tema de hervir un huevo en el Everest?
Mucho, voz cursiva, porque en el primer capítulo hemos visto que la temperatura es un reflejo de lo rápido que se mueven las moléculas de una sustancia y que ese movimiento afecta al estado en el que se encuentra, pero hay otro factor que a menudo se pasa por alto y que es igual de importante a la hora de determinar si una cosa se va a encontrar en estado sólido, líquido o gaseoso: la presión.
Y de eso vamos a hablar ahora, claro.
Nada más empezar el libro, hemos visto que los líquidos se están evaporando continuamente, porque, incluso aunque estén fríos, siempre contienen algunas moléculas que se mueven lo bastante rápido como para sobreponerse a las fuerzas intermoleculares que las mantienen a todas unidas y pueden salir a la atmósfera en forma de vapor. En este capítulo nos vamos a centrar en la ebullición, el fenómeno que ocurre cuando un líquido empieza a hervir porque ha alcanzado la temperatura de..., bueno, de ebullición.
No entiendo, ¿qué diferencia hay entre un líquido que se evapora y otro que hierve?
Los líquidos siempre se están evaporando, independientemente de que hayan empezado a hervir o no. En este sentido, lo único que diferencia un líquido caliente de uno frío es que el caliente se evapora a un ritmo mayor porque contiene un mayor número de moléculas que se mueven lo bastante deprisa como para escapar a la atmósfera. En cuanto el líquido alcanza la temperatura de ebullición, no solo se sigue evaporando, sino que, además, en su interior, empiezan a aparecer burbujas de vapor que ascienden hasta su superficie y la perturban.
Vale, pero ¿por qué no se forman burbujas a temperaturas inferiores a la de ebullición?
Gracias por preguntarlo, voz cursiva, porque aquí es donde entra en juego la presión.
Imaginemos una olla llena de agua que se encuentra al nivel del mar. Como he comentado en el capítulo anterior, el peso de la atmósfera ejerce una presión de alrededor de un kilo de fuerza por centímetro cuadrado sobre la superficie de cualquier cosa que se encuentre a esta altitud... Y eso incluye la superficie del agua que está en nuestra olla, claro.
Conociendo este dato, es fácil entender por qué las cosas no hierven hasta que alcanzan cierta temperatura: en un líquido solo se forman burbujas si la presión del vapor que contienen y que empuja sus paredes hacia fuera es superior a la que ejercen sobre ellas el propio líquido y la atmósfera, que intentan comprimirlas. Por tanto, el agua hierve a 100 ºC al nivel del mar porque esa es la temperatura a la que las moléculas de vapor de agua chocan con las paredes interiores de las burbujas con la velocidad suficiente como para ejercer una presión contra ellas superior a la fuerza compresiva del líquido y de la atmósfera. A medida que nuevas moléculas se vayan incorporando a las burbujas, su tamaño irá incrementándose, acabarán ascendiendo hasta la superficie y el vapor que contenían escapará a la atmósfera.
¡Ah, vale! O sea, que no se pueden formar burbujas en un líquido que se encuentra a una temperatura inferior a la de ebullición porque sus moléculas se mueven demasiado despacio y no pueden sobreponerse a la presión del líquido y la atmósfera, ¿no?
Exacto, voz cursiva. Dicho de otra manera, por debajo de la temperatura de ebullición, la presión exterior impide que las burbujas se «hinchen», y el líquido no hierve. Esta presión interna que las burbujas de un líquido deben superar para crecer, la llamada presión de vapor, es el concepto que nos ayudará a entender por qué cuesta más hervir un huevo en la cima del Everest.
Teniendo en cuenta lo que hemos comentado, es probable que hayas deducido que las moléculas de un líquido que están sometidas a una presión más baja no necesitan moverse tan deprisa para formar burbujas, porque la fuerza a la que se tienen que sobreponer es menor. Como la velocidad a la que se mueven las moléculas es un reflejo de su temperatura, eso significa que los líquidos que están sometidos a una presión inferior hierven a temperaturas más bajas.
Y, ahora sí, estamos listos para ver qué pasa cuando intentamos hervir un huevo en la cima del Everest.
La presión atmosférica disminuye con la altura, porque cuanto más ascendemos, más delgada se vuelve la capa de atmósfera que tenemos por encima de nuestras cabezas y más disminuye el peso del aire que descansa sobre nosotros. Como resultado, la temperatura necesaria para que los líquidos hiervan también va disminuyendo con la altitud.
Aun así, la reducción de la presión es casi imperceptible a altitudes relativamente bajas, porque esta cifra no disminuye de manera lineal. Un ejemplo es la ciudad de Denver (Colorado), donde el agua hierve a unos 95 ºC porque se encuentra a 1.600 metros de altitud, pero no se trata de una diferencia lo bastante significativa respecto a los 100 ºC a los que estamos acostumbrados al nivel del mar como para que la notemos a simple vista. En cambio, esta diferencia es más que apreciable en la cima del Everest, donde los 8.848 metros de altitud dan como resultado una presión atmosférica tres veces más baja que a nivel del mar, y reducen la temperatura necesaria para hervir el agua hasta los 71 ºC.
Dado que la cima del Everest es una zona bastante transitada, me ha parecido que sería interesante averiguar a qué tipo de dificultades culinarias se tienen que enfrentar los alpinistas a estas altitudes a causa de la presión reducida. Por desgracia, la información que encontraba era muy dispersa o incluso contradictoria, así que, cuando llegué a un informe escrito por un tipo que había estado investigando cuál es la mejor temperatura para hervir los huevos (con gráficos y ecuaciones incluidos),1 llegué a la conclusión de que lo mejor sería conocer la opinión de alguien que hubiera estado en el Everest. Después de enviar correos electrónicos a varias empresas que se dedican a guiar a los alpinistas hasta la cima, me pareció que el testimonio más completo era el de un señor llamado Russell Brice, de Himalayan Experience. Al preguntarle si se pueden cocinar cosas como huevos, pasta, café o té a esas alturas, me comentó lo siguiente:
• Se pueden cocinar huevos y pasta, pero se tarda el doble de tiempo debido a la menor temperatura de ebullición del agua.
• Los guías suelen llevar ollas de presión a estas expediciones, precisamente para poder cocinar más rápido y ahorrar tiempo.
• También es posible preparar té y café, pero tarda más tiempo y no sale tan caliente como a nivel del mar.
En este último apartado, Russell añadió que los alpinistas se acaban acostumbrando a beber directamente el té y el café recién hechos durante las múltiples semanas que pasan a gran altitud, y que, cuando vuelven a sus casas, se suelen quemar la boca con estas bebidas porque se han olvidado de que el té o el café recién hechos están mucho más calientes a nivel del mar. Como información adicional, también me comentó que en el Campamento 4, a 8.000 metros de altitud, puedes meter la mano en agua hirviendo durante un momento sin quemarte... Aunque debes sacarla rápido, por supuesto.
O sea, que parece que la menor temperatura de ebullición del agua no impide hervir huevos en el Everest y que el único inconveniente es que se tarda mucho más en cocinarlos.
Bueno, a ver, a lo mejor la comida adopta una textura «cocinada» a esa altura. Pero ¿resulta seguro consumirla? ¿El agua a 71 ºC del Everest está lo bastante caliente como para matar los patógenos de la comida?
En principio sí, voz cursiva. Según el Center for Disease Control and Prevention, una temperatura de entre 55 ºC y 70 ºC aplicada durante un tiempo prolongado basta para esterilizar el agua,2 así que, en principio, eso no supondría un problema en el Everest.
Y ahora que está aclarado el misterio del Everest, pasemos al misterio del hielo seco.
Si siguiéramos ascendiendo más allá de la cima del Everest, tanto la presión de la atmósfera que nos rodea como la temperatura a la que hierve el agua irían disminuyendo aún más. De hecho, esta tendencia continúa hasta que se alcanza una presión tan baja que no existe ninguna temperatura a la que el agua pueda permanecer en estado líquido, porque incluso las moléculas más lentas se estarán moviendo lo bastante rápido como para formar burbujas y hervir hasta evaporarse. Siendo más concretos, este punto se alcanza cuando la presión es inferior a 0,6 kilopascales (kPa), una cifra 168 veces inferior a los 101 kilopascales que experimentamos al nivel del mar.
Esto es precisamente a lo que me refería en el capítulo anterior cuando hablaba de la evaporación de los océanos de Marte: la atmósfera de este planeta es tan poco densa que la presión que ejerce sobre su superficie es un poco inferior a esta cifra, así que no puede albergar agua en estado líquido en la actualidad. Por tanto, si quisiéramos convertir Marte en un mundo más habitable, cubierto de ríos y lagos, tendríamos que verter grandes cantidades de gas en la atmósfera para que su densidad y la presión que ejerce sobre la superficie se incrementaran... Pero, teniendo en cuenta que el planeta rojo no tiene campo magnético y el Sol está arrastrando el gas de su atmósfera constantemente al espacio, la cosa está complicada.
En cualquier caso, el rango de temperaturas y presiones a las que cada sustancia permanece en un estado o en otro depende de sus propiedades químicas. A temperatura ambiente, el dióxido de carbono que compone el hielo seco solo puede permanecer en estado líquido bajo presiones 5,1 veces superiores a la de la atmósfera al nivel del mar. Por tanto, en cuanto las moléculas que componen la superficie de un bloque de dióxido de carbono sólido se calientan por encima de su punto de congelación a presión atmosférica (–78,5 ºC), se mueven demasiado deprisa como para que las fuerzas que actúan entre ellas las puedan mantener retenidas en forma de líquido y salen despedidas a la atmósfera convertidas directamente en gas. Si, en cambio, la presión que actúa sobre esta sustancia es lo bastante alta, esa fuerza externa acercará suficiente las moléculas de dióxido entre ellas como para que su atracción les permita formar una masa líquida.
La baja temperatura del dióxido de carbono congelado y el hecho de que no forme charcos de líquido molestos mientras la termodinámica cumple su función es el motivo por el que esta sustancia se suele utilizar para refrigerar comida o sustancias médicas durante su transporte. Ahora bien, el dióxido de carbono gaseoso es más denso que el aire y tiende a hundirse en él. Por tanto, una gran cantidad de este gas en un lugar cerrado y sin ventilación puede resultar muy peligroso, porque, al hundirse, desplaza el oxígeno hacia alturas superiores y reduce la cantidad que está disponible para respirar a la altura de nuestras narices. De hecho, hay gente que ha muerto asfixiada mientras transportaba grandes cantidades de hielo seco en coche con las ventanas cerradas, así que anda con ojo si alguna vez tienes que manipular esta sustancia.3
Pero, bueno, en otra línea de asuntos más astronómicos y menos terribles, este fenómeno también es el motivo por el que los cuerpos celestes de nuestro sistema solar que no tienen atmósfera no están cubiertos de océanos: como su superficie está expuesta directamente al vacío del espacio, casi cualquier sustancia volátil líquida que se encuentre sobre ella terminará hirviendo y evaporándose (y las moléculas más lentas que no se conviertan en vapor se congelarán). De ahí que los dos únicos mundos conocidos que tienen ríos, lagos y océanos sean la Tierra y Titán, un satélite de Saturno que también tiene una atmósfera lo bastante densa como para que la presión sobre su superficie permita la existencia de grandes masas de líquido.
¡Ostras! ¿Eso significa que también hay vida en Titán? ¿Puedo ir a nadar con los peces de este satélite mientras la majestuosa figura de Saturno me observa desde el cielo?
No nos emocionemos, voz cursiva, porque lo más probable es que no haya vida en Titán. Además, tampoco te recomendaría que nadaras en sus lagos, porque, aunque es cierto que la presión sobre la superficie de este satélite es un poco mayor que la de la Tierra al nivel del mar, su temperatura ronda los –179 ºC.
¿Y cómo puede ser que Titán tenga ríos y lagos? ¿Por qué no se ha congelado toda esa agua?
Es que el agua que hay sobre la superficie de Titán está congeladísima, efectivamente. Los ríos y los lagos líquidos de este satélite no contienen agua, sino que están hechos de nitrógeno y metano, dos sustancias que permanecen en estado líquido a estas temperaturas criogénicas. Y, si alguna vez has visto uno de esos vídeos en los que meten flores o frutas en nitrógeno líquido y luego las dejan caer al suelo, entenderás por qué no sería muy buena idea nadar en los lagos de Titán, voz cursiva.
De todas maneras, hasta ahora hemos visto que los líquidos se evaporan a temperaturas menores cuando su presión es muy baja, pero esta lógica también funciona al revés: cuanto mayor sea la presión a la que está sometido un líquido, más alta será la temperatura que necesitará para empezar a hervir.
De hecho, si has prestado atención, recordarás que el bueno de Russell me comentó que lleva ollas de presión al Everest para poder cocinar más deprisa y ahorrar tiempo. El motivo por el que se ve obligado a hacer esto es que, como sabrás, la temperatura de un líquido deja de incrementarse en cuanto empieza a hervir a una presión determinada, por mucha caña que le des al fogón. O sea, que si estás en el Everest, te tienes que hacer a la idea de que tu agua nunca va a alcanzar una temperatura superior a los 71 ºC.
Y ahí es donde entran las ollas de presión, que están hechas para que el vapor de agua se acumule en su interior e incremente la presión en el recipiente, haciendo que el líquido que contienen tenga que alcanzar una temperatura mayor para poder producir burbujas (o hervir, que es lo mismo). De hecho, una olla de presión permite calentar el agua a 121 ºC, en lugar de los 100 ºC habituales a nivel del mar, acelerando así el proceso de cocción de algunas recetas que llevarían mucho tiempo en condiciones de presión normales... Algo que resulta especialmente útil a grandes altitudes.
Curiosamente, este mismo problema culinario al que se enfrentan los alpinistas que van al Everest ya fue descrito por Charles Darwin en el capítulo XV de su libro El viaje del Beagle, de 1839:4
Ahora estábamos en la república de Mendoza. La elevación no debía de ser inferior a 3.400 metros [...]. En el lugar donde dormíamos, el agua necesariamente hervía a una temperatura menor que en un país menos elevado, debido a la presión atmosférica reducida [...]. Por tanto, las patatas estaban casi tan duras como siempre después de permanecer varias horas en el agua hirviendo. La olla se dejó al fuego toda la noche, y a la mañana siguiente se hirvió otra vez, pero las patatas seguían sin estar cocinadas.
Pero, bueno, dejando las patatas de Darwin de lado, también hay que tener en cuenta que la presión no solo afecta a la evaporación de los líquidos, sino también a la temperatura a la que un sólido se convierte en líquido, porque, como hemos visto, un sólido se funde cuando sus moléculas vibran tan rápido que sus enlaces dejan de ser capaces de mantenerlas unidas, y la estructura rígida que forman se desmorona. Ahora bien, si aplicamos presión sobre un sólido, la fuerza compresiva ayuda a mantener las moléculas bien pegadas unas con otras, lo que les permite soportar vibraciones mucho más intensas sin desmoronarse. Como la velocidad a la que vibran las moléculas es un resultado directo de su temperatura, eso significa que un sólido sometido a presión podrá soportar temperaturas mayores sin convertirse en un líquido.
Este fenómeno se puede observar con claridad en la mezcla de hierro y níquel que compone el núcleo interno de la Tierra, que se fundiría a unos 1.500 ºC a presión atmosférica. Pero, como el peso de las capas externas de nuestro planeta somete el núcleo interno a presiones de más de tres millones de atmósferas, la aleación metálica que lo compone permanece en estado sólido pese a que se encuentra a 5.000 ºC o 6.000 ºC.
Bah, ¿y a quién le importa lo que haga el hierro a esas temperaturas y presiones, si no nos las encontramos en nuestra vida diaria?
A todo el mundo, voz cursiva, porque este fenómeno proporciona a la Tierra el campo magnético que nos protege del viento solar.
Hay que tener en cuenta que el núcleo interno sólido del planeta está rodeado de una capa compuesta por la misma mezcla de hierro y níquel, pero que se encuentra en estado líquido. ¿Y por qué este «núcleo externo» es líquido, aunque su composición sea la misma que la del interno? Pues porque, aunque su temperatura es de «solo» entre 2.700 ºC y 4.200 ºC, la presión que actúa sobre él a esa profundidad no es lo bastante intensa como para evitar que el material que lo compone se funda. De hecho, esa mezcla líquida de metales calientes es la responsable de que la Tierra tenga un campo magnético: las partículas cargadas que hay en el metal fundido en movimiento (como los electrones libres o los átomos ionizados) generan el campo magnético terrestre gracias a un fenómeno llamado inducción electromagnética.
¿Quieres decir que la existencia de este núcleo externo líquido es lo que ha hecho que la Tierra no termine convertida en un desierto, como Marte?
En gran medida.
Pues retiro mi pregunta cínica anterior.
Se agradece, voz cursiva.
Antes de terminar el capítulo, también quería comentar que el juego entre la presión y la temperatura puede dar lugar a un fenómeno muy interesante que no experimentamos en nuestro día a día: el llamado punto triple, una combinación de presión y temperatura en la que una sustancia se puede encontrar tanto en estado sólido, como líquido o gaseoso. Por ejemplo, si se reducen la presión y la temperatura de un recipiente cerrado que contiene agua hasta 0,6112 kilopascales y 0,01 ºC, las moléculas de agua empezarán a hervir, condensarse y solidificarse de manera simultánea. Como resultado, mientras esté sometido a esa combinación de presión y temperatura, el líquido pasará por bruscos cambios de fase en los que se congelará, licuará y evaporará todo el rato. Y, si no te lo crees, en las «Notas» dejo el enlace a un vídeo en el que podrás observar este curioso fenómeno.5
Ostras, qué cosa más extraña. Pero ¿este fenómeno sirve para algo o es solo una curiosidad?
Pues sirve para calibrar termómetros de manera muy precisa, por ejemplo.
Bah, qué ganas de complicarse la vida. Si basta con tomar como referencia el punto al que el agua se congela y se evapora.
Pues ahí te equivocas, voz cursiva, porque, como hemos visto, la temperatura a la que hierve el agua varía en función de la presión a la que esté sometida, así que dos termómetros calibrados a alturas distintas darían mediciones diferentes. De hecho, la temperatura a la que hierve el agua puede variar ligeramente incluso entre dos lugares que se encuentran a la misma altitud, porque la presión atmosférica cambia constantemente según las condiciones meteorológicas: si una masa de aire caliente cercano a la superficie asciende, la presión atmosférica en la región disminuye, mientras que una masa de aire descendente hace que la presión sobre ella aumente. Estos cambios de presión son pequeños, pero pueden producir ligeras variaciones en la temperatura de evaporación del agua que impedirían calibrar un termómetro de manera precisa. Y eso sin tener en cuenta otros factores, como la humedad del ambiente. En cambio, el punto triple de una sustancia siempre se produce con la misma combinación exacta de presión y temperatura, de modo que se puede replicar en distintas partes del planeta y siempre se obtendrán los mismos resultados.
Vaya, qué curioso. ¿No te parece fascinante que, en el fondo, este tipo de fenómenos no sea más que una manifestación macroscópica de un montón de moléculas indecisas que no saben si unirse, separarse o rebotar cuando chocan entre ellas?
Me lo parece, voz cursiva, me lo parece. De hecho, aprovechemos que estamos hablando del movimiento de las moléculas para explicar cuál es el origen de otro curioso fenómeno cotidiano: el sonido.
Uf... ¿Y qué se supone que tiene de curioso el sonido?
Mucho más de lo que piensas.