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Ciencia Nuestra de cada Día

La Naturaleza nos sorprende cada instante con multitud de fenómenos que despiertan nuestra curiosidad. La Ciencia Nuestra de Cada Día es un espacio en el que Ángel Rodríguez Lozano nos incita a mirar a nuestro alrededor y descubrir fenómenos cotidianos que tienen explicación a la luz de la ciencia.

¿Es peligroso calentar agua en el horno de microondas?

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Me han dicho que hay que tener cuidado al calentar un vaso de agua en el microondas porque puede explotar y quemarte ¿es verdad? – Pregunta de Maryan Rodríguez Buergo

Pues sí, de hecho, ese tipo de accidentes han sucedido en más de una ocasión, razón de más para conocer el por qué. Básicamente sucede como has dicho, un vaso o una taza con agua se pone a calentar en el horno de microondas y al sacarlo, de buenas a primeras, hierve de forma explosiva y salpica el contenido produciendo serias quemaduras si entra en contacto con la piel.

Unos conocimientos básicos

Para comprender el fenómeno en toda su dimensión comencemos por lo más básico. El agua es líquida, a temperatura ambiente, pero en la superficie del líquido siempre existe una parte en forma de gas, de vapor de agua. En la superficie del agua se establece un equilibrio entre moléculas que escapan del líquido – y se convierten en gas- y moléculas de vapor que chocan con la superficie líquida y se incorporan a ella. Esto sucede a cualquier temperatura y es un fenómeno que puede aprovecharse para enfriar el agua líquida en verano como explicamos ya en el episodio dedicado al botijo.

El intercambio de moléculas entre el líquido y el gas, y viceversa, es posible sólo en los lugares en los que coexisten ambos estados. Eso sucede en dos lugares posibles, uno es la superficie del líquido, como ya hemos mencionado, y el otro en el interior de cada burbuja de gas que esté inmersa en él. Esto es importante porque esas burbujas aunque no las veamos, haberlas, haylas. Por muy pulida que esté una vasija, por muy limpia que esté a nuestros ojos, siempre contiene pequeños arañazos, partículas diminutas o imperfecciones adheridas a las paredes. Al echar agua en la vasija ésta moja la superficie lisa pero en esas imperfecciones siempre hay pequeños recovecos donde queda un poco de aire que se niega a ser expulsado. También, si el agua no es pura, existen en suspensión partículas que pueden contener pequeñas burbujas adheridas, cosa que no suele suceder en el agua destilada. El caso es que esas microburbujas, que normalmente pasan desapercibidas, son las protagonistas más tarde, cuando el agua comienza a hervir.

Lo que sucede en el interior de una burbuja de aire.

La pared de la burbuja separa los dos estados, el líquido en el exterior y el gas en el interior de la burbuja. Como sucede en la superficie libre exterior, en ese límite se produce un intercambio de moléculas que escapan del líquido y moléculas que vuelven a él. Ahora bien, el paso de líquido a gas en el interior de una burbuja no es fácil, depende de la temperatura y de la presión. En el fondo, viene a ser como inflar un globo, si soplamos con poca fuerza – ejercemos poca presión – no conseguiremos inflarlo porque para que se hinche debemos forzar el aire a una presión superior a la de la atmósfera que rodea el globo.

En las pequeñas burbujas que existen en el interior del líquido sucede lo mismo. Cuando la temperatura del agua es baja, la presión que ejercen las moléculas en el interior de la burbuja es pequeña y ésta no consigue crecer, todo lo contrario, tiende a disminuir de tamaño. Si vamos elevando la temperatura del agua, por un lado, las moléculas de gas del interior de la burbuja se mueven con más velocidad y ejercen más presión sobre las paredes de la burbuja, por otro, aumenta el número de moléculas que escapan del líquido y pasan al interior. Llega un momento en el que la presión en el interior de la burbuja iguala y supera a la de la atmósfera exterior, entonces, como sucedía al inflar el globo, la burbuja comienza a crecer y la superficie aumenta, al aumentar la superficie, se evaporan más moléculas en su interior, de esa manera, la burbuja crece hasta que se desprende de la pared del recipiente y sube a la superficie. A veces la burbuja se desprende completamente pero otras se divide y deja atrás una pequeña parte del gas adherido a la pared y sirve de semilla para la formación de una nueva burbuja. Si se crean muchas burbujas se produce un borboteo en la superficie y decimos que el agua está hirviendo. En ese punto la temperatura del líquido se mantiene constante (100 grados centígrados a presión normal) hasta que todo él se evapora.

Así pues, para que se creen esas burbujas tiene que haber un comienzo, una especie de semilla a partir de la cual la burbuja pueda crecer. Si no existen esas semillas – y aquí es donde está el origen del problema- el agua puede seguir calentándose por encima de su temperatura normal de ebullición . Cuando eso sucede el líquido es inestable y hay peligro de que se produzca una brusca conversión del líquido a gas y tenga lugar una violenta explosión que expulsa gas y líquido muy caliente alrededor de la vasija como pueden ver en el siguiente vídeo:

Como pueden ver en el vídeo, la explosión tiene lugar al añadir un objeto (una moneda en este caso, pero lo mismo habría sucedido al introducir una cuchara o un terrón de azúcar) en el interior de la vasija con agua sobrecalentada. Más adelante veremos por qué. Para su tranquilidad diré que, en condiciones normales, lo que acaban de ver no sucede porque el agua y la vasija contienen una cantidad notable de pequeñas burbujas que sirven de semillas y van extrayendo poco a poco la energía que suministramos al calentar el líquido.

La importancia de las distintas formas de calentar el agua

El método que utilicemos para calentar el agua es importante. Si suministramos una fuente de calor externa, por ejemplo, poniendo el recipiente al fuego, éste se calienta por debajo y transmite el calor al agua. Esa forma de calentamiento tradicional es la más segura para evitar accidentes como el que comentamos hoy. Dado que la fuente de calor está pegada a la base del recipiente, el agua del fondo es la primera en calentarse, el agua caliente se expande y se eleva hacia la superficie y hace descender la fría, más densa al fondo, de esa manera se produce un movimiento que mezcla el agua e igual su temperatura en todos sitios. La base del recipiente, al estar en contacto con la fuente de calor, es la primera en alcanzar los 100 y favorece el crecimiento de las burbujas que se expanden y suben a la superficie provocando el borboteo típico del agua al hervir. En este caso la temperatura se mantiene constante hasta que se evapora todo el líquido.

La peculiar forma de calentar del horno de microondas

Sin embargo, si calentamos el agua en un horno de microondas las cosas suceden de una manera muy distinta. La particularidad de este tipo de aparatos es que funcionan emitiendo ondas electromagnéticas, del mismo tipo que las de la luz pero de más baja frecuencia, que hacen vibrar todas las moléculas de agua (las calientan) pero no las del recipiente que la contiene. Así pues, si antes el recipiente calentaba al agua, ahora sucede al revés, las moléculas de agua se calientan y las paredes del recipiente no. Sucede entonces algo curioso, el agua que no está en contacto con las paredes se va calentando y, si no contiene partículas en suspensión que le proporcionen miniburbujas que hagan de semilla para la conversión en vapor, su temperatura continúa subiendo por encima de los 100 grados centígrados (esto es fácil de conseguir con agua destilada o recalentada). El agua que se mantiene líquida por encima de los 100 grados decimos que está “sobrecalentada”. En cambio, las moléculas de agua que están en contacto con las paredes del recipiente se calientan más lentamente porque una parte de su energía se pierde elevando la temperatura del recipiente que está más frío. Así pues, en las zonas que es donde hay más semillas, en las imperfecciones de las paredes del recipiente, es precisamente donde la temperatura del agua alcanza su temperatura de ebullición más tarde.
Lo normal es que, a pesar de todo, el número de semillas en suspensión sea suficiente como para que el agua comience a hervir y el movimiento que producen las burbujas basta para remover el líquido conseguir un hervor sin problemas. Sin embargo hay veces que no.

El peligro

El peligro surge cuando calentamos agua es muy pura (no es recomendable poner agua destilada en el microondas), cuando utilizamos recipientes muy lisos, libres de imperfecciones (un vaso de vidrio o una taza de cerámica vitrificada nuevos), o bien cuando hemos calentado el agua una vez hasta hacerla hervir, por lo que muchas de las semillas han desaparecido, y posteriormente la volvemos a calentar de nuevo. En estos casos, hay pocas semillas en el líquido y el agua al no encontrar la forma de disipar su energía convirtiéndose en vapor puede alcanzar temperaturas muy por encima de los 100 grados, a presión normal. El agua estará sobrecalentada y lo malo es que desde fuera no hay forma de saberlo. El agua en esas condiciones es como una bomba dispuesta a estallar en cualquier momento.

Si en ese momento una persona saca el vaso o la taza del microondas e introduce en el agua una cuchara, un terrón de azúcar o una moneda, se produce una explosión de agua y gas hirviendo que puede salpicar al desafortunado y producirle quemaduras si no está protegido.

¿Qué ha sucedido?

Tanto la cuchara como la moneda o el terrón de azúcar llevan justo lo que el agua necesita para convertirse en gas: infinidad de semillas. Al introducir la cuchara en el líquido, pequeñas burbujas quedan adheridas a su superficie y se convierten en semillas que se encuentran en el peor sitio, justo donde el agua está más caliente. Entonces, las burbujas introducidas crecen y se expanden, casi instantáneamente, expulsando el líquido y vapor fuera de la vasija. Se produce una verdadera explosión de agua hirviendo y gas.

A veces ni siquiera es necesario introducir un objeto externo. En el interior del microondas como hemos dicho, las paredes del recipiente se calientan más lentamente que el interior del líquido y puede suceder que cuando las pequeñas burbujas adheridas a las paredes alcanzan su temperatura crítica para crecer, el agua del interior ya la habrá sobrepasado, la burbuja comenzará su expansión y al estar rodeada de agua sobrecalentada sufrirá un brusco aumento de volumen que produce la explosión. Lo normal es que esto suceda en el interior del horno de microondas y al abrirlo nos encontremos con que el líquido se ha derramado sin causa aparente. Sin embargo, si justo en ese instante abrimos la puerta y tocamos la taza, estamos expuestos a sufrir un accidente.

Por suerte lo normal es que los recipientes y el agua tengan impurezas suficientes como para que no suceda la explosión pero, a veces, muy raramente para suerte nuestra, ocurre. Así pues tengan cuidado al poner agua a calentar en el microondas, no la calienten demasiado, no calienten agua que ya ha sido calentada antes y, si dudan, déjenla reposar un minuto, protéjanse las manos con unos guantes de cocina y separen el recipiente de los cara, por si las moscas.
Y, sobretodo, cuidado con los niños, explíquenles lo que puede suceder para que aprendan ciencia y eviten accidentes.

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