jueves, 13 de febrero de 2014

Efecto ventosa

Efecto ventosa del vaso 
con 
la vela y el plato

El presente experimento está catalogado como un clásico en las demostraciones de fenómenos físicos y químicos en el aula. Es rico en procesos y muy útil para incentivar la observación y estudio de la fenomenología termodinámica. Muchos autores han dedicado páginas a su explicación (Perelman Y., 1925) y diversos investigadores pedagógicos lo han propuesto y utilizado como recurso de aprendizaje (Serafini G., 2002). Unos han propuesto hipótesis basadas en el consumo del oxigeno, otros en la expansión y subsecuente enfriamiento del aire. A pesar de que innumerables videos se le han dedicado en la Web, en particular en youtube.com; pocos dan la explicación de su ocurrencia. Sin embargo, para entender su fenomenología hay que considerar varios procesos presentes que evolucionan en el tiempo hasta que el sistema (aire) alcanza otro estado de equilibrio. Inicialmente el sistema (aire) se encuentra en equilibrio termodinámico. Cuando se le modifica esta condición mediante la introducción de energía térmica (calor de combustión) y materia (gases provenientes de la combustión), el sistema evoluciona temporalmente hacia el equilibrio hidrostático y térmico. Durante ese lapso temporal, ocurren dentro de él, cambios físicos y químicos que se pueden visualizar. Ambos intervienen, en mayor o menor proporción, en la introducción del agua en el vaso, como veremos a continuación.

Se propone realizar su montaje experimental en el contexto cotidiano. En la cocina se dispone de herramientas y accesorios para la experimentación. En esta oportunidad se estudiará con este instrumental, el efecto que produce la atmósfera sobre algunos de los cuerpos que en ella se encuentran sumergidos. Se necesita un plato hondo, un vaso de tamaño normal de vidrio transparente, vela, fósforos, agua y colorante vegetal, para realizarlo. En tal sentido, se coloca la vela apagada en el centro del plato y en éste se vierte cierta porción de agua coloreada; se prende la vela y se tapa con el vaso. Se observa que la vela en pocos segundos se apaga y parte del agua del plato se introduce en el vaso. ¿Qué pasó?

     Para dar respuesta a esta interrogante, previamente se requiere de una descripción del sistema completo: 

a) El aire está formado por oxígeno O(21%), nitrógeno N(78%), vapor de agua (% dependiendo de su humedad relativa) y otros componentes inertes en menor proporción (dióxido de carbono, argón, etc. en 1%). Cada uno de estos gases aporta su cuota en el establecimiento de la presión atmosférica local, así que ésta es la suma de todas las presiones parciales ejercidas por cada uno de sus componentes.

b) La vela se fabrica con parafina (C25H52o cera, cierto tipo de combustible de uso en el hogar. Al prender la mecha (pabilo), ésta se derrite y se evapora. La parafina en estado gaseoso reacciona químicamente con el oxígeno y entra en combustión produciendo la llama característica, fuente de energía térmica y luminosa. Los productos de la reacción química son principalmente dióxido de carbono (anhídrido carbónico), vapor de agua y ceniza, es decir  

                C25H52 + 38 O2  ------25 CO+ 26 H2O (vapor).

Se concluye que, al quemarse el oxígeno se forma casi la misma cantidad de vapor de agua que de anhídrido carbónico y, cómo el aire contiene 21% de O2, se formará 10% de CO2 y 10% de vapor de agua, aproximadamente. Este COgaseoso tiene la propiedad de diluirse en el agua, de modo que una pequeña fracción forma ácido carbónico (H2CO3) y la restante permanece en estado gaseoso. El vapor de agua tiene la propiedad de condensar en superficies frías cuando la presión del vapor supera la presión del vapor saturado, para cierta temperatura. Además puede mantener un intercambio molecular con el agua líquida a través de la superficie que separe sus dos fases (gas y líquido). También puede condensar dentro del mismo gas a partir de núcleos de condensación (ceniza, polvo, entre otros) y formar una nube de gotas de agua.

Para entender lo que sucede, se recomienda: 

a) Realizar previamente el siguiente experimento. Se acerca, lenta y verticalmente, el vaso al plato con agua hasta que toque fondo, tal como se ilustra en la figura. 


Vaso metida en el agua del plato sin la vela.

Antes de que el vaso se sumerja en el agua la presión del aire en su cavidad es igual a la atmosférica; pero a medida que se sumerge, su presión aumenta paulatinamente hasta un valor máximo, cuando ha tocado fondo. En esta posición se equilibran las presiones; se iguala la interior con la exterior. Es decir,

                                        Pa = PA + D g h

 donde h es la diferencia entre el nivel del agua por fuera del vaso y dentro del vaso. 


Así que, la presión atmosférica PA más la presión hidrostática de la columna de agua en el plato Ph = D g h (donde D es la densidad del agua y g la aceleración de la gravedad) es igual a la presión del aire Pa encerrado en el vaso; recordar que a mayor profundidad en el agua, mayor presión hidrostática. En este caso, entra al vaso un volumen sumamente pequeño de agua, porque la profundidad del agua en el plato es pequeña. Ver actividades mas adelante. Consultar la ley fundamental de la hidrostática en la siguiente página:  http://senderospedagogicos.blogspot.com/2011/06/los-liquidos-empujan.html#more

b) Efectuar el experimento con la vela encendida; sí penetra al vaso un volumen apreciable de agua.


Vaso con la vela prendida. El agua estaría aún entrando al vaso.

A medida que el vaso va tapando la vela encendida, el aire en su interior cambia su estado termodinámico y simultáneamente, se desarrolla una reacción química. Por la cantidad de calor suministrado durante la combustión, aumenta su temperatura T y se expande (incrementa su volumen V, porque según la ecuación de estado del gas ideal P V = n R T, donde n es el número de moles, R la constante universal de los gases) a presión atmosférica constante.  A su vez, debido a la combustión de la parafina se va formando dióxido de carbono (CO2) en estado gaseoso y agua (H2O) en estado de vapor, los cuales se mezclan con el aire caliente inmediato a la llama. Esta mezcla caliente y de menor densidad asciende por efecto de la convección y desplaza el aire frío inicial contenido en la parte superior del vaso. Por efecto de la expansión, un poco de la mezcla (aire combinado con el CO2 y el vapor de agua) se escapa por debajo del vaso, antes de que su boca esté completamente sumergida en el agua. Al penetrar el vaso en el agua, la combustión de la vela continúa aumentando la temperatura de la mezcla de aire hasta que rápidamente se consume un alto porcentaje del oxigeno encerrado para producir más COy agua, instante éste en que se apaga. Finalmente, el aire encerrado contiene: nitrógeno, un poquito de oxígeno, vapor de agua por la humedad inicial del aire, vapor agua de la reacción, anhídrido carbónico y hollín. Es decir, con la combustión se incrementa la cantidad de vapor de agua en la mezcla y éste se satura, es decir en el volumen del vaso existirá más agua del que el aire puede mantener en estado gaseoso a esa temperatura.   

Al apagarse la vela se han dado cuatro procesos simultáneos:

1)  Una porción de la mezcla (aire-CO2-vapor) caliente se habrá escapado por la boca del vaso antes de penetrar en el agua y por consiguiente, ahora habrá menos cantidad (n disminuyede moléculas en la mezcla. Según la ecuación de estado (n) a menor número de moléculas, menor es la presión del gas.
2) Una fracción muy pequeña de CO2 se diluye en el agua; es decir, pierde moléculas y disminuye la presión (n).
3) Una porción importante de vapor de agua caliente condensa en las paredes frías del vaso, como lo indica su empañamiento, al darle un aspecto traslúcido a su superficie; esto incide en una disminución de la presión de la mezcla (n).
4) La mezcla dentro del vaso se comienza a enfriar (disminuye la temperatura) lo que hace que disminuya su presión (~ T). 

Estos procesos (escape, condensación, enfriamiento y dilución), en mayor o menor grado, inciden en el establecimiento de la presión de la mezcla de aire en el interior del vaso. Ahora bien, el escape de la mezcla depende de que tan rápido se coloque el vaso en el fondo del plato; así que, lo más conveniente es hacerlo lo más rápido que se pueda para eliminar esta variable del experimento. El volumen de de COdiluido en el agua depende de la presión de la mezcla; como ésta presión es inferior a la atmosférica, la cantidad diluída será muy pequeña, lo que afecta muy poco la disminución de la presión de la mezcla. El enfriamiento de la mezcla hace que disminuya proporcionalmente la temperatura; más sin embargo, requiere de un tiempo relativamente largo para que esto ocurra. En consecuencia, cómo durante la combustión se genera suficiente cantidad de vapor de agua caliente, el cual se agrega al vapor existente inicialmente en el aire; éste se encuentra en estado de vapor saturado y cómo las paredes del vaso se encuentran a menor temperatura (ambiente), un porcentaje importante condensa en un intervalo de tiempo muy corto, formándose agua en estado líquido. Por consiguiente, la presión de la mezcla súbitamente disminuye, permitiendo que el agua entre bruscamente al interior del vaso. Bajo estas circunstancias, la presión de la mezcla de aire en el interior del vaso es menor que la presión atmosférica más la presión de la columna inicial de agua en el plato, es decir:


Pa  P+ D g h


    Así que, seguirá entrando agua al vaso hasta que se alcance el equilibrio térmico. Cuando tal equilibrio se alcanza, la presión de la mezcla Pdentro del vaso más la hidrostática D g H ejercida por el agua dentro del vaso, será igual a la presión atmosférica PA más la presión Ph  ejercida por la columna de agua en el plato. Por lo tanto, 


Pa   =  PA  - D g h´

donde h´= H - h, es la diferencia entre los niveles de agua tal como se indica en la figura de arriba.

Se podrá notar que el nivel de agua por fuera del vaso baja y por dentro sube. Se habrá alcanzado el equilibrio hidrostático, cuando la temperatura del aire dentro del vaso se iguale con la temperatura ambiente, lo cual ocurre después de algunos minutos. Bajo estas condiciones, el nivel del agua habrá alcanzado su máximo valor. En los experimentos realizados, éste alcanza siempre una fracción constante de la longitud del vaso. Veamos por qué. Consideremos un vaso cilíndrico de longitud L y sección transversal interna de área A. Por supuesto el volumen es V = A L

Además, en el momento en que la vela se apaga, se cumple que la presión inicial es la suma de las presiones parciales de cada componente, es decir,

                             Pi = PN2 + PCO2PH2O

y que después de apagada será

                            P= PN2 + PCO2 .

La diferencia entre estas presiones es 

                           ∆P= P- PPH2O 

y el cambio relativo de presión es 

                          ∆P/Pi PH2O / Pi = 0,1   ,

ya que la fracción de vapor de agua producida durante la combustión es del 10% aproximadamente. 

Como la temperatura permanece constante durante el cambio de estado  (condensación), se tiene que

                             P V = n R T = C, donde C es constante.

Por lo tanto, 

                                 ∆P/Pi∆V/V = ∆L/L = 0,1 .

Finalmente la longitud de la columna de agua que penetra en el vaso es

                                     L = 0,1 L  .


En el experimento realizado la longitud del cilindro era de 28,0 cm y la diferencia de niveles del agua de 3,5 cm; por consiguiente L = 0,13 L ; el cual coincide con el valor teórico, dentro del error experimental y la sencillez del modelo utilizado. La diferencia podría ser producto de la pequeña fracción de CO2 diluido en el agua que no se tomó en cuenta y del gas escapado. 

      Hay que enfatizar que: 

a) Es la condensación súbita del vapor de agua lo que provoca, al principio, la disminución brusca de la presión, permitiendo que rápidamente entre agua al vaso. Posteriormente, es el enfriamiento que experimenta la mezcla, el proceso que continúa reduciendo lentamente la presión interna de la mezcla y que permite que el agua continúe entrando poco a poco; hasta que se establece el equilibrio térmico, es decir, se iguala su temperatura con la temperatura ambiente. 

b) Sí es, indirectamente, por el consumo del oxígeno que el agua penetra al vaso, ya que parte de éste se transforma en vapor de agua. 


Aplicación médica: 

      Este efecto chupón (ventosa) se utilizaba de manera empírica en la medicina tradicional nacional para aliviar patologías musculares, tales como músculos contraídos. Nuestros abuelos fijaban un cabo (trozo pequeño) de vela sobre una moneda de cobre y luego la colocaban en la parte del cuerpo que se querían aliviar al "extraer sus males"; cuando la vela se apagaba, succionaba la piel y la masajeaba. Por otra parte, en China existen experiencias clínicas sistematizadas para el tratamiento de muchas enfermedades con esta técnica milenaria.

Aplicación de la técnica de la ventosa en el pecho de una persona para "aliviar ciertos males" (Sáez 1970).



Actividad práctica: 

1) Variación de la presión con la profundidad. Introducir un vaso de vidrio con la boca hacia abajo en un recipiente profundo de vidrio (acuario, florero, piscina, entre otros ) lleno de agua. Se puede observar que al bajar el vaso, el agua se va introduciendo en el mismo por efecto de la presión hidrostática.

2) Succión del líquido de un refresco (gaseosa) con un pitillo (sorbete). El pitillo al principio está lleno de aire. Al introducirlo en el líquido, éste desplaza parte del aire y aparecen dos regiones; una contiene líquido y la otra contiene aire. Para beber el refresco hay que sacar el aire restante de su interior. Esto se logra succionándolo con la boca. ¿Por qué? Perfore el pitillo con una aguja y repita el experimento. ¿Qué sucede?

3) Se propone efectuar un experimento equivalente para observar el efecto de la disminución de la presión en el interior de una cavidad y poder comparar con lo antes discutido. Se necesita  una inyectadora de 10 o 20 ml, 20 cm de manguera plástica de acuario o de sistema de suero fisiológico,  una botella plástica de refresco de 1 lt, el plato y el vaso anterior. Se corta con un exacto la parte superior de la botella a 10 cm de su pico, para hacer una especie de "embudo", el cual tendrá la función del vaso anterior; a la tapa se le perfora un agujero circular y se introduce uno de los extremos de la manguera; el otro extremo se le conecta al pico de la inyectadora. Es necesario que el sistema quede completamente hermético, lo cual se logra sellándolo con un buen pegamento. Se coloca el nuevo dispositivo (tapa, manguera, inyectadora) en el embudo y se introduce por completo el émbolo de la inyectadora en su cilindro. Finalmente se mete el embudo  en el plato con agua. Por supuesto el agua no penetra en el embudo; sin embargo, al sacar el émbolo de la inyectadora se observará que el agua penetra tal como sucede con el vaso de vidrio. ¿Por qué?

4) Repetir el experimento con dos y tres velas y comparar el nivel del agua en el interior del vaso. ¿Aumenta el nivel proporcionalmente al número de velas prendidas?

5) Repetir el experimento con tres velas de diferentes tamaños (5 cm, 10 cm y 15 cm por ejemplo). Prender las tres velas y tapar con el vaso. Observe y explique. 

6) Repetir el experimento con una sola vela pero dejando calentar el aire en el interior del vaso por cinco minutos. Notará que la pared del vaso se calienta bastante. Retire luego la vela del plato e introdúzcalo en el agua. Observará que el agua igualmente sube sin importar la presencia de la vela. Esto demuestra la relevancia, tanto de los procesos físicos como de los químicos en este experimento. Explique lo sucedido considerando que aún en el interior del vaso existe cierta cantidad de vapor de agua caliente.

7) Repetir el experimento sin agua. Montar la vela sobre una tapa flexible de plástico, prenderla y colocar el vaso. Mantenerlo presionado con fuerza por arriba con una mano mientras la vela esté encendida. Al apagarse, la mezcla de aire succiona la tapa y la sella contra el vaso. ¿Por qué? Nota: el borde del vaso debe estar completamente liso para lograr este efecto. Si no logra la succión, unte un poco de aceite sobre el borde para sellarlo bien.

8) Para aislar el efecto del enfriamiento de los demás (condensación, por ejemplo) producidos por la presencia del agua, Serefini G. (2002) propone cambiar la fuente de energía térmica basada en la combustión, por otra basada en la disipación de calor por resistencia eléctrica. Hacer el montaje, realizar el experimento, discutirlo y comparar la cantidad de agua de uno respecto al otro. ¿Cuál montaje es más eficiente?

9) En el siguiente video se puede apreciar, además de los procesos fisicoquímicos anteriormente descritos, el efecto ventosa en toda su expresión. Se recomienda su montaje experimental. 

      
10) Investigación sobre el anhídrido carbónico. ¿Tiene relación con el calentamiento global? ¿Cómo afecta la temperatura del planeta? ¿Cómo lo usan las plantas? ¿Es COlo que tienen los refrescos o gaseosas? ¿Quién lo usó por primera vez para "saborizar" líquidos? ¿Sirve para extinguir el fuego? ¿Qué sucede con el oxígeno que respiramos? ¿Qué se exhala?


                 Se recomiendan los siguientes videos:

11)  El siguiente video de la NASA relata los últimos experimentos realizados en el espacio exterior con la llama de la vela. En el cintillo inferior se puede activar los subtítulos en español con el botón cc.

 



Referencias:

1. Sáez A., P. J. Las ventosas, Revista de cultura popular y tradiciones de la Rioja, Nro. 5, 2007, pags. 32-35. Disponible en:   http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2515093
2. Oduardo O., A. Uso de ventosas como método terapeutico en el tratamiento de la sacrolumbagia. Disponible en: http://www.16deabril.sld.cu/rev/244/uso_ventosa.html
3. Perelman, Y. "Sabe Usted Física". Disponible en: http://www.oocities.org/sabefisica/p212.html
4. Serefini G. 2002. Didáctica de las ciencias naturales. Aportes y reflexiones, PAIDOS Argentina.

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