Fenomenos de evaporación, paso del estado liquido al gaseoso.  

Advertencia: todos los experimentos descriptos en este documento, fueron realizados por el autor, se recomienda al lector consultar con personas que conocen el tema sobre el uso de substancias, productos químicos, herramientas, usos de herramientas, fuentes de energía, tales como eléctricas, térmicas, mecánicas, químicas, electromagnéticas. Antes de realizar el experimento es obligatorio consultar a otras personas, profesionales, profesores, todos con conocimientos sobre el tema, sobre el mismo para evitar accidentes y daños.

El autor de este documento no asume responsabilidad sobre la mala utilización y realización del experimento, de la mala utilizacion de los elementos antes nombrados, que puedan causar un daño al lector, a terceros (otras personas) y a bienes como casas, lugares de trabajo, lugares públicos, escuelas, medios de comunicación, transporte.

Experimento de Franklin.

Se hace hervir agua durante cierto tiempo en un matraz de vidrio. Cuando el vapor haya arrastrado el aire que había encima del agua, se cierra el matraz herméticamente y se le da vuelta.

Si entonces se enfría la parte superior con agua fría, el vapor se condensa, se efectúa un vacío parcial originase una fuerte ebullición, como se puede observar en el siguiente video, en el se  presenta el proceso de evaporacion que enfria el agua,

Inversamente, cuando se hace hervir agua en un vaso que comunique con un recipiente en que la presion es superior a una atmosfera, el agua hierve a mas de 100 grados, ver experimentos de Regnault, bajo 2 atmosferas, el agua hierve a 120.5 grados.

Descenso de temperatura producido por la vaporizacion o evaporación.

Cuando un liquido que se vaporiza no recibe calor exterior, su temperatura baja, porque el mismo debe dar el calor necesario para la vaporizacion; este descenso de temperatura es tanto mayor cuanto mas rapida es la vaporizacion. Asi vertiendo alcohol en la mano, produce, al evaporarse, una viva sensacion de frio; vertido en la ampolla de un termometro rodeado de algodon desciende la temperatura bajo 0 grados.

Experimento de vaporizacion o evaporación del alchol.

Se armo un sistema como se indica a continuacion, se mojo el papel con un poco de alcohol de farmacia, el aire se obtuvo de una fuente de aire comprimido la cual se regulo para obtener 20 psi.

Se mojo al papel con alchol y luego se cerro la tapa, se espero 15 minutos antes de abrir la valvula del aire a presion,mientras no hubo una corriente de aire dentro del sistema la temperatura registrada por el termometro se mantuvo como la indicada , no se produjo ninguna disminucion de la temperatura, al contrario la temperatura aumento levemente hasta 23 grados centigrados. Se abrio la valvula de aire e inmediatamente comenzo a bajar la temperatura y en 3 minutos llego a 6,5 grados centigrados, luego a medida que transcurria el tiempo volvio a subir.
Se puede interpretar el experimento de la siguiente manera: luego de cerrada la tapa y al no haber una corriente de aire a presion, se produce la evaporacion del alchol, hasta que el medio dentro del sistema se llena de moleculas de alchol que ya no permitan la emision de de vapor y no se produce el descenso de temperatura. Al circular aire, las moleculas del alchol salen del sistema a través de la banda de goma y se produce mas evaporacion produciendose el descenso de la temperatura. A medida que transcurre el tiempo la cantidad de alchol en el papel diminuye y comienza a aumentar la temperatura.

Cuando un líquido que se vaporiza no recibe calor exterior, su temperatura baja, porque el mismo debe dar el calor necesario para la vaporización; este descenso de temperatura es tanto mayor cuanto más rápida es la vaporización. Así vertiendo alcohol en la mano, produce, al evaporarse, una viva sensación de frio; vertido en la ampolla de un termómetro rodeado de algodón desciende la temperatura bajo 0 grados.

Se producen descensos de temperaturas aún mayores  haciendo vaporizar gases liquidados. La vaporización del agua en el vacío puede motivar su congelamiento, esto se demuestra con el aparato de Carre, visto en el siguiente dibujo, por medio de la bomba C se produce vacío en una garrafa y se pone a bullir el agua que contiene.

En el trayecto del tubo que pone en comunicación la bomba C con la garrafa, hay un deposito S que contiene ácido sulfúrico concentrado, que absorbe sin cesar el vapor producido, de suerte que el vacío se sostiene sin de seguir dando a la bomba, a consecuencia de esta vaporización continua, la temperatura del agua acaba por bajar hasta la congelación.

Principio de refrigeración por evaporación.

La siguiente figura nos muestra un sistema elemental de refrigeración por evaporación, la botella J tiene contenida amoniaco líquido, que es fácilmente comprimido hasta condensar como líquido transparente a condiciones de 10 atmósferas y 25ºC , el punto de ebullición a 1.013 bar es de -33.3 °C, y todo el conjunto está dentro de una caja B aislada térmicamente del exterior. El principio es el mismo para otro medio refrigerante tal como el dióxido de azufre.

Si la botella J está abierta como se ve en el dibujo, se emite al exterior el vapor del amoniaco, produciéndose una temperatura dentro de la botella de -33.3 °C, manteniéndose el baño de salmuera que rodea a la botella a -17.7 °C, cuando la temperatura exterior es de 21.1°C.

En la operación de este sistema, se absorbe calor del interior de la caja por parte del amoniaco cuando este se evapora vigorosamente y hierbe dentro de la botella, el vapor escapa a la atmosfera.

Sistema mecánico de refrigeración.

El sistema de compresión, usa amoniaco u otro refrigerante de similares propiedades, un compresor es utilizado para aumentar la presión del vapor refrigerante y enviarlo a un condensador.

En la siguiente figura se describe un sistema de refrigeración, en donde se produce la compresión y la expansión del refrigerante.

El objeto de la compresión es aumentar punto de ebullición porque la presión del aumenta. Similarmente la razón de la expansión del refrigerante es que cuando la presión se reduce, la temperatura del punto de ebullición disminuye.

El dibujo es muy instructivo y en él se aprecian las parte del sistema de compresión de un refrigerante y las temperaturas a obtener con amoniaco.

El cilindro de trabajo C del compresor se muestra en la parte superior del dibujo y tiene dos válvulas, una S para la succión y la otra D para la descarga del vapor comprimido. En la operación de la máquina, el pistón primero reduce, algo la presión en el cilindro C debajo de la del evaporador, el cual se muestra en la parte derecha de la figura.

Refrigeración mediante absorción de gas.

Existen diversos ciclos para convertir calor en refrigeración, clasificados como intermitentes o continuos. El proceso de refrigeración básico se denomina absorción; los otros son de compresión en el cual el compresor mecánico hace que el gas realice la transición al estado líquido y la adsorción, en la cual se adsorbe un gas sobre un substrato solido tal como el óxido de aluminio.

La transición que interviene generalmente en estos procesos es la producida entre un estado gaseoso y un estado líquido, pero también se han desarrollado algunos ciclos de refrigeración basados sobre procesos a gas, como sucede cuando el refrigerante es el aire comprimido.

En el ciclo intermitente, se aplican alternativamente calor y frio a una disolución que contiene el medio de refrigeración, relacionando las variaciones de solubilidad del soluto con la temperatura a la generación de un gas de presión suficiente que pueda licuarse mediante el empleo de agua de refrigeración en un intercambiador térmico. El tipo de ciclo intermitente no necesita bombas para obtener la compresión del gas requerida y de aquí que sea bueno en los lugares en donde no exista energía eléctrica.

En el ciclo continuo se utiliza una bomba para aumentar la presión de la disolución que contiene el gas absorbido de modo que cuando se aplica calor a la disolución el gas se libera a una presión suficiente para licuarse en la etapa de condensación.

Puede utilizarse un cierto número de gases de trabajo con los sistemas de refrigeración por absorción gaseosa. Se utiliza el amoniaco, gas que tiene una solubilidad en el  agua con una variación muy amplia en función de la temperatura, se utilizan también agua como refrigerante y bromuro de litio como soluto. El bromuro de litio sólido, como el cloruro de litio, es higroscópico formando una salmuera en el cual puede variarse el contenido de agua con la temperatura.

Referencias.

Este documento pertenece al libro "Tratado elemental de fisica" de Ganot-Maneuvrier. Contiene temas como : medida de la presion maxima de un vapor a diversas temperaturas, evaporacion, calor de vaporizacion del agua, licuefaccion de los gases y enfriamiento por expancion, entre otros y fue publicado en 1930.

Principio de la refrigeracion.

Eduardo Ghershman, 30.9.2011