El día siguiente a la grabación del programa de Ciencia Fresca que trataba de nuevos antivirales basados en el código de los azúcares y de la nebulosa de la mariposa, tuve la suerte de toparme por casualidad con un interesante episodio del podcast Star Talk, producido por el divulgador estadounidense Neil deGrasse Tyson. Supongo que el título de este podcast es un remedo del de la famosa serie de ciencia-ficción Star Trek, (que a mí me gusta traducir por «maldito viaje estelar») aunque desconozco si Neil deGrasse Tyson actúa de Captain Kirk, de Mr. Spock, o de ambos personajes a la vez. Es un podcast muy entretenido, en inglés, que aborda, en general, temas de astronomía y astrofísica. Puede también abordar otros temas científicos, pero nunca he escuchado un episodio que trate sobre las maravillas de la biología molecular. Ellos se lo pierden.

El episodio de Star Talk al que me refiero explicaba la ciencia tras algunos fenómenos cotidianos, como el tostado del pan en un tostador, o la ebullición del agua en una perola. Este último proceso fue el que captó mi atención, porque Neil deGrasse Tyson lo relacionó con lo que sucede a las estrellas cuando entran en la fase de gigante roja.

Si habéis escuchado episodio de Ciencia Fresca al que me he referido —os recomiendo encarecidamente que lo escuchéis, por favor, si no lo habéis hecho aún—, habréis comprobado que, al hablar de la hermosísima nebulosa de la mariposa, observada recientemente de nuevo por el telescopio espacial James Webb, Ángel Rodríguez Lozano nos explica con detalle la progresión de una estrella normal, como el Sol, a una estrella gigante roja, lo que sucederá a nuestro astro rey, se calcula, en unos cinco mil millones de años. No hay que preocuparse demasiado por ello, porque, para entonces, la humanidad habrá conquistado las estrellas que aún brillen en la galaxia, o habrá desaparecido mucho antes.

Vamos a cocer algo de ciencia

Así que centrémonos en una cacerola llena de agua que colocamos a hervir sobre el fuego de gas, eléctrico, o de inducción. Seguro que habéis visto hervir agua cientos o miles de veces, por ejemplo, cuando añadís los espaguetis a cocer, pero no es tan frecuente detenerse a observar el comportamiento del agua, de ella sola desde el momento en el que colocamos la cacerola en el fuego hasta que hierve. Por mi parte, sí lo he hecho, varias veces, y he reflexionado sobre mis propias observaciones para interpretar lo que sucede. Sí, ya lo sé, necesito terapia, pero la terapia que necesito no la han inventado todavía.

Me alegró comprobar que las explicaciones de Neil deGrass Tyson correspondían a mis propias observaciones y reflexiones sobre este fenómeno tan mundano, pero que tan pocos seres humanos comprenden en profundidad aún hoy en día, a pesar de todos los pesados científicos que intentan aligerar la pesada ciencia para los demás. Vamos a ver qué sucede con paciencia…y ciencia.

Al poner la cacerola a calentar, los átomos de metal que la componen absorben energía térmica y se ponen a vibrar con más fuerza. Esta vibración conlleva un aumento de la temperatura, la cual no es sino una forma de energía cinética de los átomos o moléculas. La energía cinética se transmite de unos átomos a otros por choques entre ellos y, poco a poco, todos los átomos de la cacerola vibran con mayor energía. La cacerola se ha calentado. Este es el fenómeno de la conducción de energía térmica.

Las moléculas de agua en contacto con el fondo de la cacerola, la parte más caliente de esta, reciben también los empujones de los átomos vibrantes del recipiente y se ponen a vibrar igualmente con mayor intensidad, chocando a su vez con otras moléculas de agua. En este punto, la energía de la cacerola está siendo transmitida al agua también por el mecanismo de conducción térmica.

Pero la energía recibida por la cacerola es, en general, mayor que la que puede ser dispersada solo por el mecanismo de conducción. La cacerola, al ser sólida a esas temperaturas, queda limitada al fenómeno de la conducción para transmitir energía de unos átomos a otros y de estos al agua, pero el agua, al ser líquida, puede iniciar otro fenómeno de transmisión de energía más eficiente: el llamado fenómeno de la convección.

Este fenómeno se produce porque el agua en contacto con el fondo de la cacerola está más caliente que el resto. Los cuerpos calientes se dilatan, y esto sucede también con el agua, lo que quiere decir que la distancia entre sus moléculas es mayor que la distancia entre las moléculas de agua de otras partes de la cacerola que no se encuentran en contacto con el fondo de esta.

La dilatación del agua en el fondo implica que la densidad de esta es menor que la del resto, así que «globos» invisibles de agua caliente suben desde el fondo de la cacerola, «globos» que son reemplazados por agua que desciende desde la parte más densa, la más fría, que no es otra que la de la superficie. Se generan así corrientes de convección que tienden a igualar la temperatura en todo el recipiente.

En un momento dado, la temperatura del agua ha alcanzado tal nivel que el agua en contacto con el fondo caliente de la cacerola alcanza los 100ºC y se evapora, con lo que forma burbujas de vapor de agua. El resto del agua todavía no ha alcanzado la temperatura de ebullición —100ºC a presión atmosférica— por lo que las burbujas de vapor que empiezan a subir desde el fondo hacia la superficie se encuentran con agua más fría que ellas, lo que origina que se condensen en mitad del trayecto y desaparezcan. Las burbujas no llegan hasta arriba. El agua está casi hirviendo, pero no hierve todavía.

La condensación del vapor de las burbujas que suben sucede, de nuevo, a expensas de la transmisión de energía térmica hacia el agua que las rodea, por lo que las burbujas que van subiendo, aunque sean reabsorbidas antes de alcanzar la superficie, van consiguiendo que toda el agua de la perola alcance la temperatura de ebullición en todos los puntos.

Cuando esto sucede, las burbujas de vapor de agua a 100ºC que se forman en el fondo de la cacerola pueden ya subir hasta la superficie sin condensarse sin desaparecer, explotar al alcanzarla y liberar el vapor en el aire, comunicando de este modo al exterior con gran eficacia la energía que recibe la cacerola en su fondo, en contacto con el fuego o la placa térmica.

Desbordamiento por transmisión de energía

Como seguramente habréis comprobado, el agua del grifo en ebullición no sube hasta el borde de la cacerola y se desparrama fuera, lo que no es el caso del agua de cocción de ciertos alimentos, como los espaguetis, o la leche, que tiene la mala costumbre de desbordarse del recipiente cuando hierve. ¿Por qué sucede esto?

Este fenómeno tiene que ver con la estabilidad de las burbujas que llegan a la superficie del líquido. Si, por las propiedades del material que las forma, estas burbujas no explotan inmediatamente al alcanzar la superficie, no pueden liberar el vapor ni la energía del líquido al exterior. Por ejemplo, la grasa y las proteínas de la leche estabilizan las burbujas que se forman al hervirla, con lo que estas no explotan al llegar a la superficie. Más y más burbujas van llegando desde el fondo, empujando hacia arriba a las burbujas aún sin explotar. Cuando estas alcanzan el borde de la cacerola, se desparraman y es en ese momento cuando la mayoría explota y liberan su energía, y parte del líquido caliente, al exterior, creando un quilombo lácteo, como tal vez diría algún argentino.

La subida de las burbujas alcanza el borde de la cacerola porque esta no es lo suficientemente alta. Si tuviéramos una cacerola de un metro de altura para hervir leche en ella, probablemente las burbujas de la leche hirviendo no alcanzarían el borde porque explotarían antes, liberando así el vapor de agua y la energía al exterior antes de desbordarse.

En esas condiciones, la altura de la capa de burbujas se mantendría constante mientras la leche estuviera hirviendo. Se habría alcanzado un equilibrio entre la energía que comunica el calor del fuego o placa eléctrica al fondo de la cacerola y la energía liberada en la superficie del mar de burbujas que se habría generado.

Es importante, no obstante, darse cuenta de que la altura de la capa de burbujas depende de la intensidad del calor que recibe la cacerola. Si bajamos la intensidad del fuego o del calor de la placa eléctrica, la altura de las burbujas disminuirá y si la subimos, aumentará.

El desbordamiento de las gigantes rojas

Pero ¿qué tiene que ver la leche hirviendo en una perola con las estrellas gigantes rojas? Te habrás hecho esta pregunta nada más oír el título de este podcast. Ya llegamos.

Las estrellas gigantes rojas comienzan a formarse cuando se ha consumido la mayoría del hidrógeno que tenían y lo han convertido en helio en el proceso de fusión nuclear en su centro. El helio, más pesado que el hidrógeno, se va acumulando en el centro de la estrella, pero sigue rodeado de una capa de hidrógeno en fusión, que genera más helio, que se acumula en el centro, haciéndolo crecer.

El helio acumulado no se fusiona inicialmente, al no ser la fuerza de la gravedad suficiente para conseguirlo, pero cuando se ha acumulado suficiente helio en el centro de la estrella, la fuerza de gravedad se ha incrementado también en él hasta conseguir que los átomos de helio comiencen a fusionarse entre sí, generando átomos de carbono, de oxígeno, de neón, etc. Otros elementos podrán formarse también mediante el proceso de captura de neutrones.

Todos estos elementos, más densos que el helio, se van acumulando a su vez en el centro de la estrella. El núcleo de la estrella va desarrollando capas de diferentes elementos, de los más pesados a los más ligeros. La proporción de elementos que se forma por fusión del helio depende de la masa de la estrella. En estrellas muy masivas estas capas sucesivas llegan hasta la generación de hierro, mientras que, en estrellas más pequeñas, como el Sol, el proceso se detiene antes.

Sea como sea, la fusión del helio genera una gran cantidad de energía que debe ser evacuada en la superficie de la estrella. Esta evacuación era fácil cuando la estrella estaba compuesta mayoritariamente de hidrógeno, pero ahora las diferentes capas que se han ido formando en la estrella, como resultado de la generación de nuevos átomos más allá del helio, dificulta mucho este proceso.

Por esta razón, la energía generada en el centro de la estrella queda retenida, lo que conlleva una expansión de sus capas externas. La estrella se «desborda» de sus límites anteriores, al igual que lo hacía la leche hirviendo en la perola, aunque no el agua. Este «desbordamiento» se produce hasta que se alcanza un equilibrio, es decir, hasta que el tamaño de la estrella ha aumentado de tal modo su superficie que la energía puede ser liberada a la misma velocidad con la que es generada, en las condiciones de composición atómica de la estrella.

Así que, ya ves, los procesos de conducción térmica que tienen lugar en las cacerolas, donde cocemos alimentos todos los días, son similares a los que explican la evolución de las estrellas de su fase principal a su fase de gigante roja. Un asunto que nos ilustra sobre la universalidad de la ciencia, de lo cotidiano a lo universal.

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