¿Por qué el agua se congela a 4 ºC?

Los baños para pájaros son esenciales para ayudar a las aves a mantenerse hidratadas cuando es difícil encontrar agua potable, por ejemplo durante veranos muy calurosos o inviernos gélidos. Muchos de estos baños se equipan con elementos calefactores para evitar que el agua se congele en invierno. Pero, ¿realmente esto solo importa cuando las temperaturas bajan de cero?

Un ejemplo curioso proviene del estudio de la “ciencia” de los baños para pájaros: se ha comprobado que incluso en días en los que la temperatura exterior nunca descendía de 4 °C, la superficie del agua podía congelarse, dejando a los pájaros no solo con frío, sino también sin acceso a agua.

Sorprendentemente, este fenómeno puede explicarse de manera sencilla: el agua puede congelarse por encima de su punto de fusión y evaporarse por debajo de su punto de ebullición, dos procesos que, a primera vista, parecen no estar relacionados, pero que demuestran cómo la física cotidiana influye en la vida de los animales.

Evaporación por debajo de 100°C

En un artículo anterior comentábamos que el agua es uno de los refrigerantes más potentes de la naturaleza. Entre todos los líquidos, tiene el mayor calor latente de vaporización, lo que significa que necesita más energía que cualquier otro líquido para romper los enlaces entre sus moléculas y transformar el agua líquida en vapor.

Mientras que solo se requieren unos 4,2 kJ para aumentar un litro de agua un grado (por ejemplo, de 99 °C a 100 °C, su conocido punto de ebullición al nivel del mar), se necesitan más de 500 veces esa cantidad de energía para evaporar la misma cantidad de agua: ¡2.256 kJ/kg!

Lo interesante es que no hace falta llevar el agua a ebullición para convertirla en vapor. El agua puede evaporarse a temperaturas mucho más bajas, siempre que se le facilite el proceso. Y tiene sentido: si colgamos la ropa recién lavada, se secará en unos días sin necesidad de calentarla a 100 °C.

Del mismo modo, los sistemas de IntrCooll y PreCooll de Oxycom aprovechan este principio de evaporación para enfriar el aire, sin necesidad de calentar el agua hasta su punto de ebullición.

Cómo influye la humedad en la evaporación

La pregunta es: ¿cómo se puede forzar la evaporación del agua a temperatura ambiente? En realidad, es más sencillo de lo que parece. La clave está en aprovechar cómo la naturaleza tiende a suavizar los cambios bruscos.

El agua líquida está formada por moléculas densamente empaquetadas que aún pueden moverse unas alrededor de otras. El aire, en cambio, es un gas compuesto principalmente por moléculas de nitrógeno y oxígeno que se desplazan libremente, junto con un pequeño porcentaje de otros gases como argón y dióxido de carbono; esta mezcla se llama aire seco. Además, puede contener una pequeña cantidad de vapor de agua, normalmente alrededor del 1 %, y esta combinación de aire seco y vapor de agua se denomina aire húmedo.

Podemos pensar en el agua como “muchas moléculas de agua” y en el aire húmedo como “muy pocas moléculas de agua”.

Cuando el agua se expone al aire, se produce un cambio muy brusco entre estas dos concentraciones de moléculas. La naturaleza “no tolera” este contraste, así que se suaviza mediante la formación de una capa límite entre el agua líquida y el aire circundante. Esta capa sigue siendo aire húmedo, pero ahora está totalmente saturada, es decir, contiene todo el vapor de agua posible a esa temperatura. Se puede considerar como un punto intermedio que ayuda a equilibrar la transición entre el agua y el aire, facilitando así la evaporación.

Difusión y flujo de aire

A continuación, otro fenómeno natural empieza a actuar. Al igual que los objetos siempre caen hacia abajo y los cables tienden a enredarse, el vapor de agua se desplaza de zonas de alta concentración (la capa límite) hacia zonas de baja concentración (el aire húmedo). Este proceso se llama difusión y ocurre de manera natural, aunque puede acelerarse significativamente utilizando un ventilador que fuerza el flujo de aire sobre la superficie del agua.

El resultado es que el aire se vuelve más húmedo, pero la capa límite pierde parte de su vapor de agua. La naturaleza reacciona de nuevo convirtiendo agua líquida en vapor para restablecer la saturación original de la capa límite. Esta transición requiere mucha energía, que se extrae del aire circundante. Así, el aire no solo se humedece, ¡sino que también se enfría!

Humedad y descenso de la temperatura

Ya sea a temperatura ambiente, cerca del punto de congelación del agua o más hacia su punto de ebullición, este proceso se producirá a cualquier temperatura. Es incluso más eficaz a temperatura ambiente que en el punto de ebullición, debido al mayor calor latente de vaporización: 2454 kJ/kg a 20 °C. Esto significa que por cada 1 g/kg de aumento de la humedad absoluta provocado por la evaporación forzada, la temperatura desciende unos 2,5 grados.

Este proceso continuará hasta que el aire se sature por completo y no pueda retener más agua. La temperatura que el aire ha alcanzado para entonces se denomina temperatura de bulbo húmedo, que es la temperatura más baja posible mediante evaporación. Por cierto, el IntrCooll utiliza una técnica inteligente para engañar aparentemente a la naturaleza y enfría el aire por debajo de la temperatura de bulbo húmedo, pero eso es una historia para otro momento.

Entender la temperatura de bulbo húmedo

Puede que el término temperatura de bulbo húmedo no le suene a todo el mundo, pero puede tomarse el nombre al pie de la letra. Un termómetro antiguo de líquido en vidrio tiene un bulbo en la parte inferior lleno de alcohol que se expande al aumentar la temperatura. La lectura del termómetro es lo que llamamos temperatura, pero estrictamente hablando es la temperatura de bulbo seco. Si cubrimos este bulbo con un paño empapado de agua (¡bulbo húmedo!) y, para facilitar el proceso, soplamos un poco de aire a su alrededor, el termómetro nos mostrará un valor más bajo: la temperatura de bulbo húmedo.

Inconscientemente, todos estamos familiarizados con la temperatura de bulbo húmedo. Al salir de la ducha o de la piscina, de repente sentimos mucho más frío: la evaporación inducida extrae calor de la piel, y lo que experimentamos es la temperatura de bulbo húmedo. Pero al contrario que la temperatura aparente (que es la temperatura percibida por los humanos, basada en el factor de sensación térmica, y por tanto subjetiva por definición), la temperatura de bulbo húmedo es una magnitud física real que puede medirse objetivamente.

Por qué una bañera para pájaros se congela por encima de los cero grados

Volvamos al ejemplo de la bañera para pájaros. Resulta que, aunque la temperatura de bulbo seco se registró por encima de cero grados durante todo el día, es decir, continuamente por encima del punto de congelación, fue la temperatura de bulbo húmedo en la interfase agua/aire la que cayó por debajo de cero y provocó la congelación de la bañera. Por desgracia, los pájaros siguen teniendo sed, pero la ciencia es interesante.