Física Cotidiana La Cocina

Física Cotidiana
La Cocina
Disponible:
http://senderospedagogicos.blogspot.com
Orlando B. Escalona T.
Gregoria Cabral

“No espere saber pa’ ponerse a hacer,
póngase a hacer pa’ poder saber”
Don Luís Zambrano
Tecnólogo Popular
Dr. Honoris Causa
Universidad de Los Andes

ÍNDICE
Página
Prefacio 4
1 El calor, la temperatura y cómo se miden 9
2 Propiedades del agua 15
3 El aceite comestible. ¡Fuego en la cocina! 22
4 La olla de presión 25
5 Enfriando al frío: Cómo enfriar más al hielo con sal común 27
6 Helado casero 29
7 El tinajero refrigerante 31
8 Congelamiento súbito del refresco 32
9 Cocinar en las alturas 34
10 Efecto ventosa del vaso térmico 37
11 Modelo para predecir el precio de cocción de un kilogramo de papas 48
12 Energía de los alimentos 52
13 El horno microondas 56
14 La dioxina cancerígena 57
15 Los utensilios de aluminio y teflón 58
16 Los cubiertos: tenedor, cuchillo y cuchara 60
17 La tensión superficial 61
18 ¡A fregar con jabón! 65
19 Funcionamiento de la nevera. Enfriamiento magnético 69
20 Modelo para predecir el precio de enfriamiento del refresco 71
2

21 Flotación de alimentos en agua 74
22 Modelo para predecir la flotabilidad de un cuerpo 81
23 El motor eléctrico de los electrodomésticos
24 Los electrodomésticos se conectan en paralelo
86
90
25 La potencia eléctrica de los aparatos 92
26 Los bombillos incandescente y fluorescente 95
27 Consumo de energía eléctrica en una casa 100
28 ¿Cuánto cuesta mantener un recinto a 20 C? 101
29 Forma de ahorrar energía eléctrica 102
Bibliografía
3

Prefacio
Este proyecto educativo es de tipo interdisciplinario. Está dirigido a docentes de
aula del Subsistema de Educación Básica (Primaria y Media), así como a
estudiantes y profesores de las licenciaturas de Educación relacionados con el
área. Con su ejecución, se espera lograr un cambio de actitud en educadores y
educandos frente a la ocurrencia de fenómenos naturales (físicos, químicos y
biológicos) de la vida diaria que por “la fuerza de la costumbre” pasan
desapercibidos a la observación sistematizada. También, se pretende que los
docentes tomen conciencia del carácter inter y transdisciplinario del conocimiento y
emprendan su abordaje desde un esquema integrador.
En consecuencia, se propone abordar la enseñanza de la ciencia a partir de
la cotidianidad. Los fenómenos naturales que transcurren diariamente en nuestro
ámbito espacio-temporal cotidiano los convierten en simples hechos comunes y de
aparente simplicidad; sin embargo, en todo momento y alrededor nuestro, se
producen cambios de diferente naturaleza que inciden de una u otra manera en el
desenvolvimiento de nuestras vidas. Ignorarlos sólo contribuye a acentuar el
desconocimiento de nuestra realidad objetiva; prestarles atención, motiva el
análisis y la reflexión y nos prepara para desentrañar los “secretos” del mundo
natural. Aunque lo cotidiano está sujeto al contexto sociocultural, económico,
político y religioso de los individuos, existe sin embargo, un conjunto de objetos,
conceptos y procesos naturales que son comunes para todo el mundo,
independientemente del lugar donde se encuentren. Por supuesto, la ocurrencia
cotidiana para el niño warao es muy diferente a la del niño de Curarigua, y más
aún, a la del niño de un rascacielos típico de cualquier urbe norteamericana. No
obstante, por ejemplo, el aire y el agua con toda la serie de procesos físicos,
químicos y bioquímicos que conllevan su consumo, son cotidianos para todos los
seres humanos; así como el fuego con los conceptos de energía, calor,
propagación, temperatura; igualmente la gravedad con el conjunto de procesos
4

mecánicos que la involucran; el día y la noche con los procesos astronómicos
observables desde cualquier parte del planeta.
Por otra parte, es indiscutible que entre los ambientes más cotidianos, se
cuenta la cocina con todos sus enseres y procesos físicos, químicos,
fisicoquímicos, entre otros; igualmente, el ámbito de la habitación con la
parafernalia de artículos de tocador, vestidor y la cama. Además, hay que agregar
las actividades lúdicas cotidianas propias de los juegos y juguetes; así como el
ambiente inmediato externo al hogar y la escuela, el planeta Tierra y el Universo.
A pesar de que, en nuestro diario quehacer, pasan desapercibidos la
mayoría de los procesos naturales relacionados con la ciencia; en cambio, aquellos
propios de la tecnología, que contribuyen al bienestar y confort ciudadano, se
hacen más evidentes por estar presentes en muchos de los dispositivos
tecnológicos indispensables en el hogar, la escuela, la oficina, el automóvil e
incluso la calle. Este conocimiento ordinario, adquirido con nuestra experiencia
cotidiana de la observación de fenómenos naturales y el uso de dispositivos
tecnológicos, forma parte de lo que denominamos conocimiento previo, que todo el
mundo posee en base al ejercicio espontáneo de la razón, de forma no reflexiva, es
decir, precientífica. Se fundamenta en nuestra experiencia cotidiana del
conocimiento que hemos adquirido de los diferentes procesos que se dan en la
naturaleza y que de una u otra forma hemos experimentados en nuestro desarrollo
intelectual. Pero tal conocimiento carece del razonamiento profundo que conduzca
a comprender a cabalidad los diferentes procesos que intervienen en los eventos
naturales. Es por lo tanto un conocimiento cognitivo superficial, incompleto y
preanalítico, carente de un estudio sistemáticamente razonado. Por lo tanto, en
esta etapa de la enseñanza del conocimiento científico debe entrar en juego la
ciencia con toda su alforja metodológica, a fin de descifrar nuestro mundo natural
colmado de múltiples y sorprendentes incógnitas. Sin embargo, a pesar de su alto
grado de simplicidad, el aprendizaje de las ciencias se debe iniciar con el
conocimiento previo adquirido de modo espontáneo, para luego pasar a indagar por
5

qué, para qué, y cómo son o suceden los cambios (fenómenos) que ocurren en
nuestro alrededor, en general.
La enseñanza de la ciencia en nuestro sistema educativo se ha hecho, y se
viene haciendo, exclusivamente en forma teórica. En los cursos que se imparten,
no se prevé la búsqueda del conocimiento y el logro de destrezas y aptitudes a
través de la manipulación de los objetos, sino que se hace énfasis en la “física de
tiza y pizarrón” y el libro de Texto. En particular, los cursos de Física, Química,
Matemática y Biología aún se enseñan bajo el esquema de conceptos aislados y
descontextualizados de la realidad.
Consideramos que, la mayoría de los cursos de Física, Química, Biología y
Matemática impartidos a nivel de la escuela primaria y bachillerato se deben
caracterizar por los siguientes aspectos: discusión de la evolución conceptual
asociada a los diferentes procesos naturales cotidianos; discusión de los
conceptos físicos (químicos, matemáticos) dentro del contexto histórico y socioeconómico
que le dieron origen; presentación y análisis de los fenómenos
demostrativos directamente en el aula de clase y el laboratorio escolar; discusión y
análisis de las implicaciones de las diversas teorías físicas, químicas y biológicas
en el desarrollo tecnológico mundial; aplicación del conocimiento científico y
tecnológico adquirido, en la solución de los problemas básicos del entorno
comunitario; concientización del rol de los individuos de una sociedad en la
preservación del ambiente que le rodea; necesidad de la integración de las áreas;
concienciar sobre el rol del docente en el logro de una sociedad que funcione en
base a la libertad, la autonomía, la independencia y la autosuficiencia en materia
de ciencias y tecnología; sobre la necesidad de democratizar los servicios
científicos tecnológicos para el disfrute y confort de todos los ciudadanos. Estos
aspectos, íntimamente relacionados entre sí, deberían considerarse para llevar a
cabo cualquier estrategia instruccional que el docente adopte para el desarrollo de
los conceptos y el estudio de las leyes de las diferentes ramas de la ciencia.
6

La ciencia es un sistema de conceptos estructurados a partir del estudio
sistematizado de los diferentes procesos que se producen en el mundo; interpreta
la naturaleza y la sociedad, estableciendo las reglas que las rigen. Su enseñanza
de forma apropiada es el gran reto de todo docente comprometido con el proceso
educativo que se gesta en nuestra patria bolivariana. Enseñar ciencia requiere de
una adecuada preparación, sustentada en recursos didácticos acordes con las
invenciones tecnológicas de los nuevos tiempos y enmarcada dentro de una
pedagogía social que interponga el interés del colectivo frente al individual.
Consideramos que según las directrices del Modelo Educativo Bolivariano la
ciencia se debe enseñar bajo un enfoque abierto, flexible, contextualizado, y con
una perspectiva inter y transdisciplinaria, compatible con los requerimientos de
una escuela productiva e interconectada con el trabajo comunitario.
Por ser la Física una ciencia natural que describe un conjunto de fenómenos
que se dan en la naturaleza, requiere para su enseñanza de la presentación en
“vivo” de experimentos didácticos, representativos de tales hechos naturales. Se
pretende con este proyecto, sustituir el método de enseñanza-aprendizaje
tradicional, por la presentación demostrativa de los fenómenos y sus
correspondientes aplicaciones de los principios y leyes para el conocimiento del
entorno inmediato alrededor de la comunidad escolar. Con una estrategia basada
en la presentación experimental de los fenómenos y con el apoyo de la Matemática
como herramienta cognitiva, se puede conceptualizar mejor los principios
fundamentales de los procesos naturales en cualquier nivel educativo.
En tal sentido, se presenta y analiza un conjunto de situaciones cotidianas
bajo un contexto integrador. Se empieza con la presentación y discusión de
fenómenos físicos, químicos y biológicos que ocurren diariamente en la cocina; se
sigue con algunos que se presentan en la habitación, y se finaliza con aquellos
presentes en los juguetes.
En cada capítulo se incluyen secciones de Aplicación de la Matemática,
donde se utilizan conceptos, leyes y teorías para elaborar modelos teóricos
7

sencillos que permitan predecir la ocurrencia y comportamiento de algunos
fenómenos naturales de probada cotidianidad. Los mismos se desarrollan a partir
de las leyes fundamentales que gobiernan algunas áreas de la física clásica con las
respectivas simplificaciones de los procesos que aparecen involucrados en el
fenómeno global. Es decir, mediante la comparación y el descarte, entre los efectos
que intervienen en el fenómeno como un todo se logra implementar el modelo que,
aunque simple, da buena cuenta de la evolución del sistema en estudio. En
consecuencia, ésta metodología basada en el método científico da al docente y
estudiante la oportunidad de explorar y observar, comparar y relacionar, inferir y
argumentar, es decir aplicar en el estudio de este aspecto de la cotidianidad, las
competencias culturales básicas que la ciencia ha estructurado en forma muy
efectiva con su método científico, a fin de hacer predicciones.
De esta forma se pretende desarrollar en los educandos “… la integración
de las áreas de aprendizaje por medio de: los proyectos para resolver
problemas…”, así como las “…habilidades para el pensamiento crítico, cooperador,
reflexivo y liberador, que le permita a través de la investigación, contribuir a la
solución de problemas de la comunidad”, como se sugiere en el Nuevo Currículo
Nacional Bolivariano.
Los autores
8

1 El calor, la temperatura y cómo se miden
Los términos calor y temperatura son de uso cotidiano en los ambientes del hogar
y la escuela. En nuestro hogar, y en particular en la cocina, los utilizamos con
frecuencia. Sin embargo, aunque muchas veces en nuestro lenguaje les atribuimos
el mismo significado, representan magnitudes físicas muy diferentes. Algunos
ejemplos nos ilustran lo señalado. Se siente frío el piso cuando nos paramos
descalzos; en cambio las pantuflas las sentimos tibias. Se siente fría la parte
metálica de una olla de acero al tocarla con las manos; en cambio, sus asas de
plásticos o madera se sienten tibias. Se piensa que mientras más caliente se
encuentre un cuerpo, más calor tiene; que mientras mayor cantidad de agua tenga
una olla, mayor cantidad de calor tiene acumulado. Además, es habitual expresar:
“Cierra la puerta, que se escapa el frío” de la habitación o la nevera. En
consecuencia, a continuación precisaremos estos conceptos de termodinámica de
continuo uso cotidiano.
Las ideas sobre la naturaleza del calor han variado sustancialmente en los
últimos siglos. La teoría del calórico, discutida por vez primera por el médico
escocés James Black, ocupó un lugar destacado en la Física durante el Medievo;
en esa época, se interpretaba el calor como un fluido tenue acumulado en los
intersticios de la materia y que se propagaba de los cuerpos calientes, donde se
hallaba en mayor cantidad, a los cuerpos fríos, con menor cuantía. Sin embargo,
fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de experimentos
realizados por Benjamín Thompson y Humphrey Davy. Esto permitió el
resurgimiento de una vieja idea aceptada por Galileo y Boyle, la cual sostenía que
“el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo”.
Finalmente, las experiencias de Joule y Mayer sobre la conservación de la energía,
permitieron determinar que el calor no era más que otra forma de manifestación de
la energía. Así, el calor es capaz de aumentar la temperatura y modificar el estado
9

físico de los cuerpos, podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor
fueron buena muestra de ello en aquel entonces.
Es necesario tener presente que los materiales poseen diversas propiedades
térmicas. Así, todas las sustancias, dependiendo de su cantidad y naturaleza,
cuando se les cambia la temperatura, manifiestan características muy particulares,
tales como absorber o ceder energía; permitir o impedir que ésta penetre o salga
de su interior; cambiar el volumen que ocupan, y hasta de variar el estado de
aglomeración de los átomos o moléculas que los constituyen. Es decir, todas las
sustancias intercambian energía entre sí, la transportan a través de sus
componentes atómicos por medio del cual se dilatan o encogen y cambian de
estado. Se sabe que, el calor es una forma de manifestación de la energía que
poseen los materiales cuando se ponen en contactos con otros a diferentes
temperaturas; no es más que energía que se transmite desde los cuerpos calientes
a los fríos, en forma espontánea. Este proceso ocurre porque los átomos
(moléculas) de las sustancias no están fijos. Al contrario, se pueden desplazar,
rotar y vibrar e interaccionar entre sí mediante fuerzas eléctricas; además, dentro
de cada uno, sus electrones interaccionan entre ellos, así como con el núcleo del
átomo. Cada uno de estos procesos involucra energías de tipo potencial y cinética.
La suma de todas, es la energía interna del material. No obstante, la transferencia
de calor (energía) se da gracias al desplazamiento desordenado de los átomos, en
caso de gases y líquidos; y a las vibraciones atómicas y desplazamientos de
electrones libres (no ligados a los átomos), cuando se trata de materiales sólidos.
Por otra parte, la temperatura nos permite tener idea de qué tan caliente,
tibio o frío está un cuerpo, respecto a un valor de referencia. Está asociada con los
movimientos aleatorios (desordenados) de traslación de los átomos y moléculas en
los gases, y con los movimientos de vibración en los sólidos. Por ejemplo, en el
caso de un gas ideal, la temperatura depende proporcionalmente de la energía
cinética promedio debido al movimiento de traslación de las moléculas; de modo
que a mayor agitación molecular, mayor es la temperatura de la sustancia.
10

Sentido de propagación del calor.
Las moléculas se agitan más en el agua caliente.
Para medir la temperatura se necesita establecer una escala, en función del
cambio termodinámico que se produzca en cierta propiedad particular de la
sustancia elegida. Para tal fin, se puede escoger la propiedad que tiene la
sustancia de dilatarse cuando su temperatura cambia, como por ejemplo, la
variación de la longitud de una columna de mercurio o alcohol cuando se sumerge
en un cuerpo frío o caliente, es decir cuando se somete a cambios de temperatura.
Posteriormente, se escogen dos valores para establecer una escala, tal como cero
(0) para el agua cuando se congela y solidifica, y cien (100) cuando hierve y entra
en ebullición, a nivel del mar. Al dividir esta escala en cien partes, la centésima
(1/00) parte es la unidad de medida y se conoce como el grado Centígrado. Existen
11

otras escalas de medida, pero en 1960 se adoptó como escala internacional la
Kelvin, que escogió como referencia el punto triple del agua (ver numeral 2 más
adelante), donde ésta permanece en equilibrio en sus formas sólida, líquida y
gaseosa, y al cual se le asignó el valor de 273,16 K (para cierta presión), que
equivale a 0 en la escala Celsius. Así, la unidad de medida en esta escala es el
Kelvin y se define como la 1/273,16 parte del intervalo desde el cero absoluto hasta
el punto triple. También existen otras escalas de medida de la temperatura como la
fahrenheit y rankine.
Es un hecho experimental que para cierta masa m de un material, la
cantidad de calor Q que se le suministra o quita, será mayor mientras más grande
sea el cambio de temperatura
T
. Y para el mismo material, mientras mayor sea
su masa, más calor se requiere para lograr el mismo cambio de temperatura
anterior.
Es por esto que se puede escribir que:
Q c m T
,
donde ΔT=T f – T i , con T f y T i , las temperaturas final e inicial y c, el calor
específico del material. La cantidad de calor Q se mide en caloría o joule (1 cal =
4,186 J).
En consecuencia, cómo un gramo de agua necesita una caloría para
aumentar su temperatura en un grado Celsius, su calor específico es 1,0 cal/g o C.
De esta manera se define la caloría cuando el cambio de temperatura del gramo de
agua se hace desde 14,5 o C hasta 15,5 o C. Pero en cambio, cómo un gramo de
aluminio necesita 0,22 cal para lograr el mismo aumento, su calor específico es
0,22 cal/g o C; consecuentemente, el agua necesita absorber cinco veces más calor
que el aluminio para aumentar su temperatura.
12

Por otra parte, aunque la materia se aglomera de cinco formas diferentes,
tres (sólida, líquida y gaseosa) de éstas son de interés en la presente discusión.
En cada uno de estos estados, es diferente la cantidad de energía que contiene por
unidad de masa. Así, un kilogramo de hielo contiene menos energía que el mismo
kilogramo de agua líquida y ésta última, menos que un kilogramo de su vapor. Por
consiguiente, para que el hielo se funda hay que suministrarle energía en forma de
calor para romper los enlaces
establecidos entre los átomos.
Sin embargo, cuando se está
derritiendo la temperatura no
cambia. Lo mismo sucede con
la temperatura cuando el agua
hierve y se evapora. La energía
que recibe el material sólo se
usa para romper los enlaces y
cambiar de estado; y no para
aumentar su temperatura. Esto
se puede comprobar en la
cocina usando un termómetro.
En las tablas 1 y 2 se recopilan
algunos valores típicos de
temperatura y energía de
diferentes sistemas térmicos.
La cantidad de calor (Q)
por unidad de masa (m) que se
necesita en un cambio de
estado, se denomina calor
latente. Es decir, Q/m es L, el
13

calor latente. Se mide en J/Kg. o cal/g. En el caso del agua, un gramo de hielo
requiere de 80 cal para fundirse; y un gramo de agua líquida 540 cal para
evaporase.
Actividades experimentales: Se recomienda disponer de un termómetro que mida
entre -30 o C y 120 o C. En el mercado se consiguen algunos digitales de -50 o C a
300
o C para medir la temperatura de alimentos
horneados.
El termoscopio: Se requiere de los materiales siguientes:
un frasco pequeño de unos 50 cc, un tapón de goma con
agujero, un tubo capilar de vidrio o en su defecto, un
pitillo delgado transparente de cafetería del tipo
removedor. Se coloca a través de su agujero el pitillo en
el tapón cuidando que quede bien ajustado; se llena el
pitillo con alcohol coloreado e igualmente el frasco hasta
Termoscopio.
la mitad, y se tapa. Se puede comprobar que al agarrar y cubrir el frasco con la
mano, el alcohol sube por el pitillo porque el termoscopio registró un incremento de
la temperatura; en contraposición, al sumergir el frasco en agua fría, el alcohol
baja. Se propone calibrar este termoscopio y convertirlo en un termómetro.
Mezcla de aguas: Para esto se mezclan dos volúmenes iguales de agua con
temperaturas diferentes: uno a temperatura ambiente y otro a cualquier otra
temperatura. Se mide la temperatura de cada cantidad por separado y la de la
mezcla. Se puede comprobar que la temperatura de la mezcla siempre será el valor
promedio de las dos temperaturas. Esta técnica se usa cotidianamente en los
hogares para preparar el agua tibia para el baño de los bebés recién nacidos. Así
mismo se procede en aquellos baños con dos grifos de agua (caliente y fría),
cuando se combina para que salga tibia por la regadera.
14

2 Propiedades del agua
Es evidente la importancia del agua en
nuestra vida diaria. La cocción de los
alimentos con agua es uno de los
procedimientos más empleados en la
105 o
cocina por rapidez, economía y facilidad.
En 1781 el químico inglés Joseph
Priestley realizó por primera vez su
síntesis mediante la combustión del
hidrógeno. Posteriormente, los químicos
Lavoisier y Cavendish demostraron que en
Geometría de la molécula de agua. su composición estaban presentes el
oxígeno y el hidrógeno, y en 1805 el químico francés Gay-Lussac determinó que la
fracción volumen de hidrógeno/volumen de oxigeno era igual a 2. Estableciendo
que la molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de
oxígeno, y que su fórmula química es H 2 O.
Desde el punto de vista de la química inorgánica, la molécula de agua es un
tetraedro irregular levemente modificado, con el oxígeno en su centro. Los dos
átomos de hidrógenos y los electrones despantallados de los dos orbitales híbridos
ocupan las esquinas del tetraedro. El ángulo entre los átomos de hidrógeno es de
104,5 grados.
Esto se debe a que, el átomo de oxígeno mantiene alejados los electrones
de los núcleos de hidrógeno, dejándolos con una carga parcialmente positiva,
mientras que los dos electrones generan una región con carga negativa localizada.
Esta fuerte polaridad de la molécula de agua no es consecuencia única de su
geometría tetraédrica irregular, sino también de la naturaleza de sus átomos; el
oxígeno, es un átomo de alta electronegatividad y por lo tanto presenta gran
15

capacidad de atraer los electrones de enlace covalente de los hidrógenos hacia su
región, generando una fuerte polarización de la molécula. Esta configuración hace
que la molécula de agua se convierta en un dipolo eléctrico, es decir, una
molécula con las cargas eléctricas positiva y negativa distribuidas asimétricamente
alrededor de su estructura. En consecuencia, la molécula de agua constituye un
dipolo con un elevado momento dipolar eléctrico.
Enlace puente de hidrógeno.
Esta propiedad hace que se
establezcan interacciones dipolo-dipolo entre
las propias moléculas de agua a través de
enlaces o puentes de hidrógeno, porque la
carga parcial negativa del oxígeno de una
molécula ejerce atracción electrostática sobre
las cargas parciales positivas de los átomos
de hidrógeno de las moléculas adyacentes.
Por otra parte, en la naturaleza existen tres isótopos de hidrógeno, cada uno
de los cuales se puede combinar con el oxígeno y formar tres clases de agua: de
protio H 2 O, deuterio D 2 O y tritio T 2 O. Pero, si además los átomos y los isótopos del
hidrogeno se combinan, se puede obtener otros tipos de agua como el HDO, HTO
y DTH; como el oxígeno también tiene tres isótopos (oxígeno-16, oxígeno-17 y
oxígeno-18), aumentan los tipos de agua hasta doce. De todas éstas, la más
abundante es el agua de protio.
El agua es una de las pocas sustancias que se consigue normalmente en la
naturaleza en tres estados: sólido, líquido y gaseoso; y puede cambiar de un
estado a otro (sólido a líquido, por ejemplo) manteniendo la temperatura constante.
Cuando se enfría hasta 4 o C aproximadamente, su volumen disminuye y la
densidad se incrementa hasta un valor cercano a 1,0 g/cm 3 ; sí se disminuye más la
temperatura ocurre lo contrario, el volumen se incrementa y la densidad, en vez de
aumentar, disminuye por debajo de 1,0 g/cm 3 ; y finalmente, cuando se enfría hasta
16

0 o C, solidifica (hielo) y su densidad (0,9168 g/cm 3 ) se hace inferior a la que tiene
en el rango 0 o C -100 o C (la densidad del agua líquida cerca de 0 o C es 0,9998
g/cm 3 ). En consecuencia, por ésta propiedad el hielo flota en el agua líquida (ver
numeral 21 de este capítulo). En la siguiente figura se ilustra esta discusión.
Densidad del agua en función de su temperatura.
En las figuras de abajo, se muestran los enlaces de hidrógeno entre las
moléculas de agua en fase condensada (líquida) y la estructura cristalina
hexagonal del hielo común.
Modelo del agua líquida.
Modelo del agua sólida (hielo).
17

En la figura adjunta se puede observar una gráfica típica de la presión P
(Kp/cm 2 ) en función de la temperatura t en o C, para los procesos termodinámicos
de cambios de estado del agua, y en general válida para cualquier sustancia. Esta
se conoce como diagrama de fase de los tres estados en que se encuentra el
agua en la naturaleza. Para efecto de comparación, 1 Kp/cm 2 = 9,807x10 4 Pa
(N/m 2 ). Las líneas curvas representan las interfases de separaciones entre dos
estados particulares; y la intersección de las tres, el estado donde coexisten las
tres fases en equilibrio termodinámico. Así que el diagrama está dividido en tres
zonas: a) la región de la fase líquida separada por las interfases líquido-vapor y
líquido-sólido, b) la región de la fase vapor y c) la región de la fase sólida.
Así por ejemplo,
el punto a ubicado en la
línea punteada de la
rama liquido-vapor
corresponde al estado en
que coexisten en
equilibrio la fase líquida
con la gaseosa a la
presión de casi 1 Atm
(760 mm Hg) y la
temperatura de 100 C,
como es caso del agua
en ebullición a nivel del
Diagrama de fase del agua.
mar (0 m); el punto b
corresponde al estado de equilibrio sólido-líquido donde coexiste el agua sólida con
la fase líquida, a la temperatura de aproximadamente 0 o C y a la presión
atmosférica (1 Atm). En estos dos puntos, así como en cualquier otro de las curvas,
la temperatura se mantiene constante. Cualquier estado de equilibrio con la presión
de 1 Atm, ubicado entre los puntos a y b, se encuentra en la fase líquida; si la
18

temperatura es mayor que la del punto a, se encuentra en la fase gaseosa; si es
menor que la del punto b, se encuentra en la fase sólida. Por debajo de 4,6 mm Hg
(por debajo del punto triple) el hielo pasa directamente a la fase gaseosa sin pasar
por la líquida, es decir se sublima; o el vapor se solidifica directamente sin pasar
por el estado líquido, y la temperatura permanece constante. Por otra parte, al final
de la interfase líquido-vapor a la temperatura de 374 C y presión de 221
atmósferas, el incremento de la presión no impide que el agua hierva; este estado
particular donde el agua se comporta simultáneamente como un gas y como un
líquido se conoce como punto crítico, donde son iguales las densidades en los
estados líquido y vapor. Además, el punto de intersección de las tres curvas define
el punto triple, como aquel estado termodinámico donde el agua coexiste en sus
tres fases (sólida, líquida y gaseosa), simultáneamente. Esto ocurre a una
temperatura de 273,16 o K (0,01 o C) y una presión de 0,006 At (611,73 Pa).
Existen otros procesos fisicoquímicos que se dan en el agua y que conviene
conocer para hacer más eficiente la preparación de cualquier menú. El agua tiene
conductividad térmica moderada (0.58 Wm -1 K -1 ) y elevado calor específico (1,0
cal g -1 o C -1 ). En consecuencia, durante la cocción de sopas, consomés y caldos, se
producen procesos de absorción y transferencia de calor (energía térmica) entre el
agua y los alimentos, que se ven favorecidos por poseer éstas características.
Además, como la fuente de calor se encuentra en la base de los recipientes de
cocina, aparecen corrientes verticales de convección que la agitan
constantemente, asegurando así la uniformidad de la temperatura durante la
primera fase de la cocción, antes de que comience a hervir; al hervir, el agua pasa
al estado de vapor en la base de la olla y las burbujas ascienden rápidamente por
tener menos densidad. Se incrementa aún más la agitación de la sopa. Por otra
parte, como el agua tiene alta temperatura de ebullición (cerca de 100 o C, snm), la
preparación de los alimentos es más rápida y efectiva; ya que, mejor es la cocción
mientras mayor sea la temperatura. Asimismo, cocinar con agua y su vapor, a
19

elevada temperatura (por encima de 100 o C), representa una ventaja financiera, en
comparación con el aceite.
En lo que respecta a la alta tensión superficial que posee, esto permite que
se forme una membrana en su superficie libre, la cual sirve, por ejemplo, de
sustentación para los insectos que sobre ella se posan. El agua también presenta
el fenómeno de capilaridad mediante el cual sube a través de tubos muy delgados
Diagrama de la simetría cúbica de la
red cristalina de la sal común.
hasta que el “empuje” dado por la tensión
superficial se balancee con el peso de la
columna. Este efecto es muy importante en
biología, ya que el agua, en parte, sube por
capilaridad desde las raíces de los árboles
hasta las hojas más altas de sus follajes;
también por capilaridad se lleva a cabo la
irrigación de parte del organismo de los
animales de sangre caliente. Igualmente, en
el cuerpo humano se llevan a cabo multitud
de fenómenos por capilaridad.
El agua también es un disolvente eficaz de la mayoría de las especias y
sales para sazonar; lo que explica en términos gastronómicos que el cocimiento
con agua sea un método muy empleado en cualquier cocina. Es considerada el
solvente universal por su capacidad de debilitar las fuerzas moleculares de los
átomos que se encuentran en la superficie del soluto, permitiendo que sus
moléculas se separen y se mezclen con ella.
Como es conocido, el ingrediente principal en cualquier plato que se prepare
en la cocina es la sal común de mesa o cloruro de sodio (Na Cl). Esta sustancia se
presenta en forma cristalina con simetría cúbica, donde los iones cloruros se
agrupan en cubos, mientras que los iones sodio, llenan los espacios octaédricos
entre los cloruros (ver figura de arriba). Por consiguiente, en la preparación de
20

cualquier sopa, estamos preparando una disolución, donde el agua hace las veces
de solvente y la sal de soluto. Pero, ¿qué sucede con sus componentes cuando se
disuelve en el agua? La sal de cocina se encuentra en forma de cristales. Cuando
se agrega sal al agua, sus componentes se separan en iones Na + y Cl — y las
moléculas de agua comienzan a rodearlos, como se muestra en las figuras A y B
de abajo. Como el ión sodio es positivo, atrae a la molécula de agua por la región
del oxígeno, el cual es electronegativo; y como el ión cloro es negativo atrae a la
molécula de agua por el lado de los átomos de hidrógeno, los cuales son
parcialmente positivos. Esto permite que las moléculas de agua se alineen de
manera diferente dependiendo de los iones que tenga la solución. La parte
negativa del oxígeno de las moléculas de agua rodearan los iones de sodio
positivos; las partes de los hidrógenos positivos rodearán los iones de cloro
negativos.
A
B
A) Interacción de los iones Na + con la molécula de agua en una solución.
B) Interacción de los iones Cl - con la molécula de agua en la misma solución.
21

Algunas moléculas biológicas (por ejemplo, los lípidos) forman dispersiones
coloidales cuando se mezclan con agua. Por tal razón es el principal componente
del cuerpo de los humanos y de los animales. Participa como agente químico
reactivo, en las reacciones de hidratación, hidrólisis y oxidación-reducción. Permite
que muchas partículas se difundan en su interior constituyendo su medio de
transporte para sustancias nutritivas. Cómo los puentes de hidrógeno absorben
mucha energía, su calor específico (1 cal/gºC) es alto, lo que contribuye a reducir
los cambios bruscos de temperatura, permitiendo el desarrollo y mantenimiento de
la vida en diversos ambientes térmicos.
En diferentes regiones del planeta, el agua natural posee alcalinidad, que le
confiere cierta dureza debido a los bicarbonatos y carbonatos de calcio y
magnesio en ella disueltos. Existe una clasificación en aguas duras y blandas,
dependiendo de la concentración (en mg) de carbonato cálcico (CaCO 3 ) por litro.
Las aguas duras no causan problemas al organismo humano y son tan
satisfactorias como las aguas blandas; sin embargo, el consumo prolongado de
aguas muy duras produce coloraciones indeseables en el esmalte de los dientes.
Este tipo de agua impide que el jabón funcione debidamente a la hora de lavar.
3 El aceite comestible. ¡Fuego en la cocina!
El aceite comestible es de uso generalizado en la cocina. La palabra aceite (del
árabe az-zait, que significa jugo de aceituna) es un término genérico para designar
diferentes líquidos grasos de origen vegetal, insolubles en el agua y con
densidades inferiores a ésta. En consecuencia, al igual que la grasa derretida, el
aceite flota en el agua, comprobable esto al preparar los suculentos hervidos de
nuestra gastronomía criolla. Por otra parte, desde el punto de vista nutricional, cada
cien gramos de aceite vegetal contiene alrededor de 900 Kcal, lo que representa un
importante aporte energético a los diversos alimentos que con él se cocinan. La
mayoría de los aceites comestibles (de girasol, soya, maíz, oliva, entre otros) tiene
22

el punto de ignición alrededor de los 200 0 C, a partir del cual sus vapores arden
espontáneamente.
La preparación de los mejores platos gastronómicos requiere del aceite en
las frituras. Se sabe que, para cocinar más rápido los alimentos se necesitan
temperaturas elevadas. Así qué, se utiliza para freír porque se puede calentar
hasta alcanzar elevadas temperaturas sin cambiar al estado gaseoso, ya que su
punto de ebullición oscila entre 180 y 220 0 C.
A pesar de la indiscutible utilidad gastronómica del aceite, muchos
accidentes han ocurrido durante su indebida manipulación sobre la hornilla de la
cocina, debido a que es un combustible y como tal, se enciende fácilmente con el
fuego de la hornilla después de alcanzar la temperatura de ignición. Durante la
cocción (fritura) con aceite vegetal, éste se podría sobrecalentar hasta sobrepasar
el punto de ignición y al desprender vapores cerca del fuego, podría entrar en
combustión.
Cuando se prende el aceite contenido en el utensilio (sartén, olla) para freír,
el cocinero más experimentado tiende a utilizar agua para apagar el fuego (figura
A). Este clásico error, ocurre por impericia y desconocimiento de algunos procesos
fisicoquímicos que se dan en la cocina. Para apagar el fuego, basta con impedir
que llegue más oxigeno a la zona prendida. En tal sentido, se debe utilizar uno de
los trapos de cocina, empapado en agua, y se cubre el utensilio hasta taparlo
completamente (figura B). De esta manera, al consumirse el oxígeno el fuego se
apaga. En caso contrario, si se vierte agua directamente sobre el aceite encendido,
el cual se encuentra a una temperatura de alrededor de 200 0 C, parte del agua
repentinamente se evapora (su temperatura de ebullición es cerca de 100 0 C) y
salpica, y cómo está caliente, asciende por convección arrastrando consigo
pequeñas gotas de aceite que también entran en combustión. El resultado es que
se aviva y esparce el fuego, con el inminente peligro de provocar un incendio en la
cocina.
23

A. El fuego se aviva al tratar de apagarlo
con agua.
B. El fuego se consume al tapar la olla
con un trapo húmedo.
También puede ocurrir que el aceite se prenda cuando se coloca una
porción humedecida de carne o pescado. Para evitar esto, se recomienda secar
bien la carne antes de colocarla en el sartén. Otra manera, es rebozarla con harina
antes de freírla.
Otro de los peligros inminentes de la cocina es el de quemaduras en los
brazos por salpicaduras de aceite. Esto ocurre por lo mencionado anteriormente,
casi siempre el aceite se calienta hasta los 200 0 C, de modo que las gotas que
saltan del sartén y caen en la piel del cocinero, aún no se han enfriado lo suficiente
y al entrar en contacto con la misma, le ceden cierta cantidad de calor, suficiente
para provocar la lesión.
Se recomienda elevar la temperatura del aceite lentamente hasta los 180 0 C
para que conserve sus propiedades orgánicas, antes de proceder con cualquier
fritura.
Por todo lo antes expuesto, se recomienda mantener permanentemente en
el ambiente de la cocina un extinguidor de incendios para responder en forma
rápida cualquier eventualidad que se presente con el fuego.
24

4 La olla de presión
Este dispositivo fue inventado por el físico Denise Papin (1647-1712) en 1679,
quién le llamó digestor de alimentos. Lo presentó a la Royal Society en 1681 pero,
en ese momento, no trascendió su utilidad práctica. En 1954 la patente SEB se
comercializa con el nombre de MAGEFESA en España y luego a nivel mundial.
Hoy en día se conoce como “olla de presión” porque utiliza en la cocción de los
alimentos, agua líquida y su vapor, a una presión superior a la atmosférica y con
una temperatura superior a 100 C.
Sabemos que el agua se presenta en la
naturaleza en tres estados: sólido, líquido y
gaseoso y que en una olla abierta, en estado
líquido, hierve hasta alcanzar el punto de
ebullición a una temperatura de 100 C, si la
presión atmosférica es de 1 atmósfera, en un
lugar ubicado a 0 m snm. Por consiguiente sí,
después de estar hirviendo, aumentamos la llama
de la cocina, se evaporará más rápido pero no
aumenta su temperatura; la energía que le
Denise Papin. suministra la hornilla, aumenta la energía cinética
media de las moléculas y las más veloces vencen la barrera de potencial de la
superficie para escapar del líquido y forman vapor. Unas que otras, de las que se
encuentran en estado gaseoso, pasarán al estado líquido.
Sin embargo, cuando se coloca agua líquida en una olla de presión y se tapa
herméticamente, el calor que le suministra la hornilla de la cocina hace que
aumente su temperatura hasta cierto valor límite y comienza a evaporarse. Este
vapor se une con el aire contenido en su interior y la mezcla aire-vapor de agua
aumenta su presión y temperatura hasta un máximo valor, por encima de 100 C,
25

determinado por la regulación de la válvula de seguridad de la olla. En estas
condiciones existe un equilibro y el agua no hierve, porque la cantidad de agua
evaporada es igual a la cantidad de vapor que condensa. Cuando la presión supera
este valor, se abre la válvula y escapa parte de la mezcla aire-vapor; el agua hierve
un poco hasta que se alcanza de nuevo el equilibrio; luego de esto, sólo queda
agua líquida y su vapor. Finalmente, la temperatura aumenta hasta un valor
cercano a 110-120 o C y la presión de vapor alcanza 1,1-2.0 Kp/cm 2 (~1-2
atmósferas), aproximadamente. Por consiguiente, a esta temperatura los alimentos
se cocinan más rápido, y se logra ahorrar energía y tiempo.
Cuando se colocan los alimentos en la olla, además de los procesos físicos,
antes mencionados ocurren otros, propios de los procesos fisicoquímicos que tiene
lugar en los alimentos. Al aumentar la temperatura, la velocidad de las reacciones
aumenta en un factor de diez (Ley de Arrhenius), lo que consigue acelerar la
cocción y disminuir altamente el tiempo de preparación.
En la figura siguiente se puede observar una gráfica típica de presión P en
función de la temperatura T, para los procesos termodinámicos de cambios de
estado del agua.
Presión P en función de la temperatura T.
26

Al tapar la olla, en su interior queda agua líquida con aire a la presión
atmosférica. Dentro de la olla de presión tapada, inicialmente, el agua se encuentra
en el estado líquido A y pasa luego hasta el estado líquido B, donde la temperatura
y la presión son más elevadas. Durante el proceso de cocción (estado B) el agua
permanece líquida sin hervir; para lograr esta situación es necesario controlar la
llama de la hornilla hasta su mínimo; si el fuego de la hornilla es alto, entra
demasiado calor a la holla y constantemente estará abriendo y cerrando la válvula.
Al finalizar la cocción, se acostumbra colocar la olla en el chorro de agua fría para
bajar su presión. Con este procedimiento, el vapor de agua del interior de la olla,
disminuye su temperatura y condensa; en consecuencia, la presión del vapor
disminuye y el agua comienza rápidamente a hervir. Según la gráfica anterior, el
agua pasa al estado termodinámico C, correspondiente a la interfase líquido-gas.
Por tal motivo, el fabricante sugiere no abrir la olla de presión inmediatamente
después de su retiro de la hornilla, porque al destaparla disminuye bruscamente la
presión del vapor de agua en su interior y abruptamente empieza a hervir,
esparciéndose vapor y agua muy caliente en todas direcciones, lo que podría
resultar en graves quemaduras para su operador.
5 Enfriando al frío: Cómo enfriar más al hielo
con sal común
Diagrama de fase del agua del
refresco.
Desde que se hicieron los primeros
avances significativos en la
termodinámica para descifrar el
comportamiento de los sistemas
relacionados con el calor y la
temperatura, se buscó su aplicación
práctica. Una de éstas fue bajar la
temperatura de los ambientes para
la conservación de los alimentos, ya
27

que al principio se conservaban mediante la deshidratación, el salado y
condimentación, y la técnica del ahumado. Con el conocimiento preciso de los
ciclos termodinámicos en las máquinas térmicas, se desarrollaron dispositivos para
disminuir la temperatura en recintos cerrados; es así como aparece el refrigerador
en escena. Pero un método conocido desde el siglo XVII para bajar más la
temperatura de los materiales, es el que usa una sal combinada con hielo de agua.
Para esto, preparamos una solución saturada de sal común (cloruro de sodio) y
luego le echamos suficiente hielo picado. De esta manera se logra reducir la
temperatura de congelación del hielo porque disminuye la presión de vapor de la
solución. De nuevo, en el diagrama de fase de la figura adjunta, se muestra el
comportamiento del agua pura en sus tres estados: sólido, líquido y gaseoso. En la
gráfica (curva punteada) se puede observar que al bajar la presión de vapor,
disminuye la temperatura de congelamiento de la solución agua-sal; así por
ejemplo, si el agua pura se encuentra inicialmente en el estado particular A, al
agregar la sal pasa al estado B.
Tales cambios en las propiedades termodinámicas se traducen en el
corrimiento del punto triple (Pt) hacia la zona de menor temperatura y presión (P ’ t).
Así que las dos ramas de las fases sólido-liquido y líquido-gas, se corren también
hacia abajo, como se muestra en la misma gráfica. Debido a esto, la temperatura
de ebullición aumenta (T d > T b ) y la temperatura de fusión disminuye (T c < T a ).
Por otra parte, en la misma figura se muestra la gráfica de la temperatura T
en función de la proporción de sal respecto a la masa de agua (sólida y líquida),
conocida también como diagrama de fase de la eutéctica, es decir de la mezcla
agua-sal. Se puede observar que, a medida que se aumenta la proporción de sal,
disminuye la temperatura hasta un valor mínimo de 21,3 o C; al seguir agregando
sal a la solución, aumenta la temperatura. La mínima temperatura se conoce como
temperatura eutéctica, y se da en este caso para una proporción de sal del 23%.
28

En consecuencia, en la práctica para obtener la mínima temperatura de
enfriamiento, por cada 77 g de hielo se le agrega 23 de sal.
Temperatura T en función de la proporción de
sal para la mezcla de agua-sal.
A fin de probar lo discutido
anteriormente, se propone hacer
el experimento siguiente: a) Se
coloca hielo en un envase y se
mide su temperatura con un
termómetro como el sugerido en
la sección I.1. Se anota la
temperatura mínima. b) Se
agrega sal en grano en la
proporción 30-70%, 50-50% y 70-
30% y se mide la temperatura de
la mezcla en cada caso. c) Se
comparan y analizan las temperaturas con las suministradas en la gráfica de la
siguiente figura. ¿Qué se puede concluir?
6 Helado casero
Actualmente no es problema hacer helados caseros porque contamos con
refrigeradores muy eficientes. Sin
embargo, años atrás se usaba en su
fabricación la heladera, tal como se
muestra en el esquema de la figura. La
misma consiste de un recipiente de
anime y otro de aluminio de menor
tamaño. Para fabricar el helado, primero
se prepara en la licuadora una mezcla
con leche y frutas al gusto, y luego se
Diagrama de la heladera.
29

vierte cierta cantidad en el recipiente de aluminio; posteriormente, se coloca éste
dentro del recipiente de anime. En el espacio entre los dos recipientes se coloca
cierta cantidad de hielo picado y sal de mesa. La proporción, según lo discutido
anteriormente, es la siguiente: tres partes de hielo y una de sal. Estos componentes
se mezclan bien. Finalmente, la mezcla líquida de helado se bate poco a poco con
una cuchara y se coloca la tapa (ésta no aparece en el diagrama); después de
cinco minutos se vuelve a batir. Se sigue así hasta obtener el helado después de
quince o veinte minutos aproximadamente, tiempo que depende del volumen de la
porción a preparar.
En la figura siguiente se muestra
un modelo de heladera comercial de
juguete con la finalidad de enseñar el
proceso de fabricación de helados a
niños. La misma consiste de un tambor
(A en la figura) que se hace gira con una
manivela alrededor de un eje horizontal.
En este modelo, el hielo con sal y agua,
Heladera comercial de juguete. se coloca dentro del tambor y la mezcla
de helado en la parte exterior (B en la figura). Al congelarse la mezcla de helado,
se recoge con una espátula (C) adosada al tambor.
También se puede preparar helado con dos bolsas plásticas de cierre
mágico de diferentes tamaños. En la más pequeña se vierte la mezcla líquida del
helado, se cierra y se introduce en la grande. Luego, dentro de la bolsa grande y
alrededor de la pequeña, se coloca el hielo picado con la sal y se cierra. Se bate
todo el conjunto con ambas manos durante varios minutos, hasta que la mezcla
congele.
30

¿Cómo preparar la mezcla? En algunos mercados municipales o
supermercados venden un granulado de diferentes sabores para fabricar helados.
En la licuadora se vierten dos cucharadas repletas del granulado, cinco de azúcar,
medio litro de leche líquida, 10 cubitos de hielo, y se bate a alta velocidad hasta
que espese la mezcla. Este producto que le proporciona al helado una consistencia
cremosa, se usa también para la preparación de las sabrosas “vitaminas” que se
consigue en el Mercado Principal de Mérida.
Por otra parte, es interesante determinar el aporte nutricional y calórico de
este helado. En tal sentido, a manera de ejemplo y en forma aproximada, sí se
prepara con leche pasteurizada en polvo, según la tabla nutricional de la lata de
leche, cada 100 g contiene 490 kcal (490 Calorías). Por lo tanto, un litro de leche,
preparada siguiendo las indicaciones, tiene 600 Cal y un vaso de leche de 250 ml
tiene 150 Cal. Así que, incluyendo las cuatro cucharadas del granulado, se cuenta
con 200 Cal en un vaso de helado. Como referencia, recuerde que una persona
requiere de 1.800 Cal por día.
Curiosidades térmicas: a) Mérida cuenta con el record mundial de poseer la
tienda con mayor variedad de helados. b) A principio del siglo XX se vendían
helados en el antiguo Mercado Principal de la Av. 2 de la ciudad, con hielo traído
en mulas desde la Sierra Nevada en maletas de cuero.
7 El tinajero refrigerante
El tinajero es una vasija de arcilla porosa que se utilizaba para almacenar y enfriar
agua a la temperatura de alrededor de 3 o C por debajo la temperatura ambiente.
Fue muy popular antes del invento del refrigerador o nevera. Sin embargo, aún se
usa en los lugares alejados, donde no llega la electricidad, con la finalidad de beber
agua “fresca”.
31

Su funcionamiento se explica de la siguiente manera: Cuando la tinaja se
llena de agua a temperatura ambiente (30 o C, por ejemplo), parte de ésta se
resume a través de las paredes del recipiente de arcilla, humedece su superficie
externa y se evapora lentamente. Al evaporarse, absorbe calor y en consecuencia
se enfría (cerca de 27 o C). Cómo el exterior del tinajero se encuentra más frío que
su interior, se produce un flujo de calor desde el agua, en su interior, hasta la
superficie y en consecuencia, el agua se empieza a enfriar hasta alcanzar la
temperatura de la superficie. Sin embargo, este enfriamiento no es elevado porque
el aire que le rodea le cede un poco de calor al agua que se evapora y aumenta un
poco su temperatura.
Varios factores inciden en la temperatura final del agua. Si el aire del
ambiente es seco aumenta la evaporación y se enfría, pero si es húmedo la
disminuye; si hay viento, aumenta la evaporación, entre otros.
8 Congelamiento súbito del refresco
En el siglo XVII el químico escocés Joseph Black (1728-99) descubrió el dióxido
de carbono (CO 2 ) y posteriormente, el físico inglés Joseph Priestley inventó un
método para disolverlo en el agua y producir el agua carbonatada o soda, muy
agradable al paladar. En ese momento nace el refresco embotellado que
conocemos hoy en día a nivel mundial. Posteriormente (5 de Mayo de 1886), John
Pemberton, bajo la idea original de una fórmula medicinal, inventó un refresco
carbonatado, denominado Coca Cola, por contener la hoja de coca entre sus
ingredientes.
Cuando el refresco se envasa, le agregan CO 2 gaseoso a una presión de 2
a 5 Atm, para que se disuelva, reaccione con el agua y produzca ácido carbónico
según la siguiente reacción:
32

H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 .
A su vez, el ácido carbónico reacciona de nuevo con el agua para formar el catión
hidronio, H 3 O + , y el ión bicarbonato, HCO 3- , de acuerdo con la siguiente reacción:
H 2 CO 3 + H 2 O HCO 3 - + H 3 O + .
Esto explica el sabor ácido de los refrescos, ya que el pH se reduce hasta
aproximadamente 5.5 después que el líquido se ha expuesto al aire del ambiente.
Finalmente, después de taparse, el CO 2 coexiste en equilibro químico con el ácido
carbónico; es decir, el agua del refresco es en realidad una disolución acuosa que
contiene estas dos sustancias disueltas, además de otras que le da el sabor y
color característico.
En el enfriamiento de esta bebida universal destacan algunos fenómenos
que sólo se explican con la termodinámica de los procesos fisicoquímicos
presentes. En varias
oportunidades hemos presenciado
que, algunas veces, al sacar con
cuidado de la nevera un refresco
de botella, muy frío, y destaparlo,
éste permanece en estado líquido;
pero, basta batirlo un poco para
lograr que se congele
repentinamente. Esto se explica
de la siguiente manera. Como se
Tc
ha mencionado anteriormente, el
“agua pura” se congela a 0 o C a la
Diagrama de fase del líquido del refresco.
presión atmosférica estándar (1
Atm); pero, al agregar el soluto
33

(sabor y colorantes) al agua, disminuye la temperatura de fusión (Tc en la figura de
la izquierda). En consecuencia, esta disolución no se congelaría en una nevera que
enfríe por debajo de 0 o C y por encima del nuevo punto de congelamiento (o
fusión), el cual podría estar alrededor de -18 o C, en algunos modelos.
Por otra parte, cuando en la fábrica le agregan al refresco el gas (dióxido de
carbono) y lo tapan, la presión en el interior aumenta hasta 2 Atm. y su estado
termodinámico se ubica en el punto A (2 Atm y 25 o C, aprox.) del diagrama de fase
de la figura anterior. Luego, al colocarlo en el congelador de la nevera, se enfría
lentamente hasta que su temperatura y presión disminuyen, de modo que su
estado viene representado por el punto B, el cual corresponde a un estado
metaestable donde el refresco está subenfriado, es decir por debajo del la
temperatura de fusión (congelamiento) para esa presión. Al destaparlo, con sumo
cuidado, podría suceder que no se congele, aunque haya disminuido la presión en
su interior. Sin embargo, basta una pequeña perturbación, por medio de una batida,
para alterar tal estado de subenfriamiento y pasarlo al estado de enfriamiento
termodinámicamente estable, donde se presenta en la fase sólida, tal como se
representa por C.
Otros fenómenos ocurren con los refrescos subenfriados. Cómo la
temperatura está por debajo de 0 C, el vapor de agua alrededor de la botella
condensa en sus paredes exteriores y forma una capa blanca de escarcha. Esta
escarcha también se podría usar para lograr el congelamiento repentino del
refresco colocando una pequeña cantidad en su interior.
9 Cocinar en las alturas
Vivimos sumergidos en una atmósfera constituida por oxigeno, nitrógeno y vapor
de agua, principalmente. Y debido a la gravedad terrestre, entre otros factores,
mantiene un gradiente de presión, densidad y temperatura con la altura.
34

Temperatura de ebullición t del agua en función de la
presión atmosférica P.
Así que, a medida que
ascendemos desde un
lugar ubicado a nivel del
mar hacia otro ubicado en
una montaña, la
temperatura disminuye; al
igual que, la presión y
densidad. Los cambios de
presión atmosférica hacen
que la temperatura de
ebullición del agua se
modifique: a mayor presión,
mayor temperatura de
ebullición del agua. Esto
ocurre por lo que se describe a continuación. La masa de la Tierra atrae a su
atmósfera por la interacción gravitacional; pero las moléculas de la atmósfera se
mueven aleatoriamente con diferentes velocidades producto de la energía cinética
que tienen. Así que, las más energéticas podrán alejarse más de la superficie
terrestre y las lentas estarán a baja altura. En consecuencia, se cuentan más
moléculas por centímetro cúbico cerca de la superficie que lejos de ésta; es decir,
la densidad es mayor a nivel del mar. Cómo la presión atmosférica es producto del
peso ejercido por las capas de la atmósfera, a menor altura mayor es la presión, ya
que se tiene mayor cantidad de material por encima de ese punto. Pero, al ser
mayor la presión atmosférica a nivel del mar, a las moléculas del agua en ebullición
se les dificulta más atravesar la capa superficial del líquido y en consecuencia,
necesitan más energía para salir y pasar a la fase de vapor; al suminístrales más
energía, por supuesto, aumentará la temperatura de ebullición. Podemos decir
también que, el agua entra en ebullición si su presión de vapor supera a la presión
atmosférica para esa altura.
35

Esto incide en la temperatura de ebullición del agua. A nivel del mar la
presión atmosférica es de 760 mmHg y el agua hierve a 100 o C; mientras que en
Mérida, a 1.600 m snm, la presión es de 610 mmHg y el agua hierve a 92 o C; en el
Pico Everest a 7.850 m hierve a 70 o C. Por consiguiente, mientras se esté ubicado
a mayor altura sobre el nivel del mar, menor será la temperatura de ebullición, y se
necesitará más tiempo para cocinar los alimentos, lo que naturalmente incide en
su costo.
Se proponen las siguientes actividades experimentales para afianzar los
conceptos discutidos.
Temperatura en diferentes ciudades. Es interesante medir la temperatura en
grados Celsius del hielo cuando se derrite y del agua cuando entra en ebullición, en
lugares ubicados a diferentes alturas sobre el nivel del mar. Los que vivan en
Mérida (1.600 m snm), le pueden solicitar a un amigo que viva en Maracaibo (0 m
snm) por ejemplo, que realice el mismo experimento. Se propone comparar las
medidas y explicar las diferencias.
Ebullición del agua con hielo. Se necesita un frasco de vidrio con tapa. Se llena
con agua del chorro hasta la mitad y se introduce destapado en una olla de agua
salada hirviendo. Luego se saca el frasco de la olla, se tapa bien con un tapón y se
invierte como indica la figura. Sí inmediatamente se le colocan varios cubos de
hielo en la parte superior, se podrá observar que el agua en su interior comienza a
hervir. ¿Por qué? ¡Manipular con cuidado el frasco para evitar accidentes!
Ebullición del agua en una inyectadora. En la farmacia se puede conseguir una
inyectadora plástica grande (60 cc). Se quita la aguja, se llena con 5 cc de agua a
temperatura ambiente (20-30 C) y se introduce el émbolo hasta que salga todo el
aire de su interior. A continuación, se sostiene con la mano izquierda y se tapa el
orificio de la aguja haciendo presión con el pulgar. En estas condiciones, para
extraer el émbolo hay que aplicarle una fuerza muy grande a fin de contrarrestar la
presión atmosférica; haciendo lo indicado, se logra aumentar el volumen en el
espacio interior de la inyectadora, el cual inicialmente es de 5 cc. Así que a medida
36

que se extrae el embolo, el agua se evapora por la
disminución de la presión interior y se podrá
observar cómo se desprenden burbujas de vapor de
agua, tal como ocurre en el proceso de la ebullición
por agregación de calor en la cocina a temperatura
cercana a 100 o C.
Equipo para hervir agua con hielo.
Otros experimentos:
a) Medir con un barómetro la presión atmosférica de su ubicación geográfica y
comparar con el valor registrado en las Tablas de presión atmosférica versus
altura.
b) Hervir agua y medir la temperatura de ebullición y comparar con la gráfica
anterior de la figura que se muestra.
c) Agregar sal al agua, determinar su concentración y hervir de nuevo el agua para
determinar la temperatura de ebullición. Agregar luego el doble, el triple de sal al
agua y medir de nuevo la temperatura de ebullición en cada caso. Comparar las
temperaturas.
10 Efecto ventosa del vaso térmico
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
37

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 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 2 (21%), nitrógeno N 2 (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
38

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 (C 25 H 52 ) o 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
C 25 H 52 + 38 O 2 ------25 CO 2 + 26 H 2 O (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 O 2 , se
formará 10% de CO 2 y 10% de vapor de agua, aproximadamente. Este CO 2
gaseoso tiene la propiedad de diluirse en el agua, de modo que una pequeña
fracción forma ácido carbónico (H 2 CO 3 ) 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.
39

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,
P a = P A + 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 P A más la presión hidrostática de la columna
de agua en el plato P h = D g h (donde D es la densidad del agua y g la aceleración
de la gravedad) es igual a la presión del aire P a 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/search/label/Empuje
40

) 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 (CO 2 ) en
estado gaseoso y agua (H 2 O) 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 CO 2 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 CO 2 y agua, instante éste en que se apaga.
Finalmente, el aire encerrado contiene: nitrógeno, un poquito de oxígeno, vapor de
41

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-CO 2 -vapor) caliente se habrá escapado
por la boca del vaso antes de penetrar en el agua y por consiguiente, ahora habrá
menos cantidad (n disminuye) de moléculas en la mezcla. Según la ecuación de
estado (P ~ n) a menor número de moléculas, menor es la presión del gas.
2) Una fracción muy pequeña de CO 2 se diluye en el agua; es decir,
pierde moléculas y disminuye la presión (P ~ 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
(P ~ n).
4) La mezcla dentro del vaso se comienza a enfriar (disminuye la temperatura) lo
que hace que disminuya su presión (P ~ 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 CO 2 diluido en el agua depende de la presión de la mezcla; como ésta
presión es inferior a la atmosférica, la cantidad diluida 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,
42

equiere 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 < PA + 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 Pa dentro 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 h´ 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.
43

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 = P N2 + P CO2 + P H2O ;
y que después de apagada será
P f = P N2 + P CO2 .
La diferencia entre estas presiones es
∆P= P i - P f = P H2O
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 .
44

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 CO 2 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
45

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
46

(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
47

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. Ver en: http://www.youtube.com/watch?v=nxlKcNHLPyA
10) Investigación sobre el anhídrido carbónico. ¿Tiene relación con el
calentamiento global? ¿Cómo afecta la temperatura del planeta? ¿Cómo lo usan
las plantas? ¿Es CO 2 lo 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:
http://www.youtube.com/watch?v=ctmm8zW65RU
http://www.youtube.com/watch?v=K6LdwV0IgMg&feature=related
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.
11 Modelo para predecir el precio de cocción
de un kilogramo de papas
A continuación, con este ejercicio vamos a entender el poder de la matemática
como herramienta de análisis en situaciones, no sólo, del diario acontecer, sino
hasta científicas y tecnológicas. A tal efecto, elaboraremos un “modelo teórico”
elemental a fin de simular cuánta energía se necesita para lograr la cocción de un
kilogramo de papas en una olla de aluminio sometida a ciertas condiciones que de
antemano conocemos. Para esto se parte de los conceptos y leyes de la
termodinámica para predecir el costo de cocción. De esta manera, el lector tiene la
48

oportunidad de explorar y observar, comparar y relacionar, inferir y argumentar, es
decir aplicar en el estudio de este aspecto de la cotidianidad, las competencias
culturales básicas que la ciencia ha estructurado en forma muy efectiva con su
método científico, a fin de hacer predicciones y controlar así, las variables que
permitan maximizar el gasto de gas licuado de uso diario en la cocina.
En tal sentido, en primer lugar se necesita conocer cuánto vale una
bombona de gas GLP (gas licuado de petróleo), constituido por una mezcla de
butano (C 4 H 10 ) y propano (C 3 H 8 ). Este gas puede almacenar grandes cantidades
de energía en espacios reducidos y liberar durante la combustión 12.000 Kcal por
cada kilogramo quemado. Cómo en la actualidad (junio 2008) una bombona de 18
Kg tiene un costo de 6.700 Bs. (bolívar viejo), 32 Kcal cuestan 1 Bs. o cada 32.000
Kcal cuestan 1 Bs.F (bolívar fuerte); es decir, cada Kcal cuesta 0,31 Bs., o lo que
es lo mismo: con 0,31 Bs.F se compra un millón de calorías (cal) para cocinar. Se
necesitan también los valores de algunas constantes de los materiales a usar;
pero, en cualquier Manual de Física se consigue que el calor específico del agua es
1,0 cal/g o C y el del aluminio es 0, 22 cal/g o C; y que la densidad del agua es 1,0
g/cm 3 y la del aluminio, 2,7 g/cm 3 .
Es necesario calibrar previamente, la hornilla de la cocina donde se van a
sancochar las papas, es decir, hay que determinar su potencia, la energía en forma
de calor Q que suministra por unidad de tiempo t . Para esto se elige una olla
cilíndrica de aluminio de dos o tres litros de capacidad, se llena de agua y se coloca
en la hornilla. Por supuesto, la energía que recibe la olla con el agua proviene de la
combustión del gas en la hornilla, por la diferencia de temperatura existente entre
su fondo y la llama. Inicialmente, el agua y la olla están a temperatura ambiente T
0
;
y al prender el fuego, el calor Q que le entra, aumenta su temperatura hasta el valor
máximo
Teb
correspondiente a la ebullición. A partir de este momento, la energía
sólo produce el cambio de fase, sin aumento de temperatura. Desde entonces,
habrá transcurrido un intervalo de tiempo t .
49

La cantidad de calor recibida por el agua y la olla es
c
m c m T
Q ,
a
a
al
al
donde los subíndices a y al se refieren al agua y el aluminio, respectivamente, y
T T eb
T . Cómo la densidad es 0
V
de la siguiente manera:
m
D , la expresión anterior se puede escribir
cal
Dal
Val
Q caDaVa
1
T
ca
Da
V
,
a
donde los subíndices mantienen el significado anterior.
cal D
Pero, 0, 22 y
al
2, 7 . En lo que respecta a la relación de volúmenes hay
c
D
a
a
que hacer la siguiente consideración. El volumen del agua es el de un cilindro de
radio R y altura h; el volumen de la olla es el un disco de radio R y espesor
más el de una lámina rectangular de área
para una olla cuya altura sea del mismo orden de su radio,
V
V
al
a
R
3 .
R
R
2 Rh y espesor R . En consecuencia,
Por consiguiente, cómo
R R
, entonces, Val
Va
; así que, prácticamente toda
la energía que la hornilla le cede a la olla se utiliza para calentar el agua. A ésta
misma conclusión también se llega, con el sólo hecho de comparar, en base al
conocimiento previo cotidiano, la masa de agua
a
al
ma
con la masa de la olla
m
al, ya
que m m ; es decir, basta comparar los pesos de la olla sola y con agua. Así
50

que, al despreciar el efecto del recipiente se tiene que la potencia de la hornilla (la
cantidad de energía que suministra por unidad de tiempo) es
camaT
P .
t
A continuación se procede a experimentar. Se vierte uno o dos litros de agua
en la olla, se coloca en la cocina a media llama (¿por qué?) y se mide el tiempo
que tarda en hervir; así como las temperaturas ambiente y de ebullición. Con la
ecuación anterior se calcula P .
Finalmente, sin apagar la cocina ni variar la llama de la hornilla, se colocan
las papas en la olla anterior y se vierte la cantidad mínima de agua para que las
cubran completamente; se coloca en la hornilla y se mide el tiempo t
c
de cocción
de las papas. La energía
Qc
que se gasta durante la cocción será igual a la que se
gasta en calentar la olla de aluminio hasta la temperatura de ebullición; más la
necesaria para que el agua y las papas hiervan; más el calor latente necesario para
mantener el agua en ebullición sin que cambie la temperatura; más la cedida al aire
y que no entra a la olla, el cual se está despreciando en este modelo (¿por qué?);
más la radiada por la olla en forma de onda electromagnética (radiación infrarroja) y
que también se está despreciando (¿por qué?).
Con
Q P
c
t
c
se calcula la energía usada y como 32.000 Kcal cuestan 1 Bs.
F, finalmente se podrá calcular el gasto en bolívares fuerte para cocinar las papas.
Por supuesto, la potencia P de la hornilla o la energía producida por combustión del
gas por unidad de tiempo, depende de cuánto se gire la perilla de la cocina. Este
simple modelo, a pesar de las consideraciones anteriores, ilustra cómo se procede
en ciencia para lograr una aproximación de la realidad cotidiana.
Otros hechos importantes ocurren durante la cocción con ollas de aluminio:
a) el aluminio conduce muy bien el calor, de modo que el calor se propaga con
facilidad desde el fondo de la olla hasta la superficie interior en contacto con el
agua, b) por convección, el agua caliente sube a la superficie, ya que al calentarse
disminuye su densidad y “flota” en el agua más fría y, c) las papas también
conducen el calor y dependiendo de su tamaño el tiempo de cocción varía.
51

Varios experimentos se proponen a continuación:
a) Realizar el experimento anterior con agua y papas y comparar con lo
predicho por el modelo anterior.
b) Estudiar el efecto de agregar sal común al agua, sobre la cantidad de
calor requerido para la cocción o sobre el tiempo de cocción.
c) Hacer una caja de 10x10x5 cm 3 con una hoja de papel bond tamaño
carta y colocarla en un soporte . Cortar varios trocitos de papas e
introducirlos en la caja; llenarla con agua. Finalmente colocar la caja
sobre la llama de una vela y proceder con el hervido de las papas. Se
observará que, contrario a nuestro conocimiento adquirido a través de
nuestra experiencia cotidiana, la caja de papel no se quema y las papas
se cocinan ¿Por qué?
d) Inflar un globo; colocarlo sobre la llama de una vela; el globo explota
como es de esperar. Llenar otro globo con agua; colocarlo sobre la llama.
¿Qué pasará?
12 Energía de los alimentos
Podemos decir que el cuerpo humano es una máquina bioquímica, porque el
oxígeno que respiramos se combina con azúcares, grasas y proteínas obtenidas de
la digestión de los alimentos que consume y se transforman en bióxido de carbono,
agua y otros productos de desecho. Durante este proceso se originan calor y
trabajo mecánico en los músculos. Pero, de ¿dónde obtiene el cuerpo la energía
para cumplir sus diversas funciones? Por supuesto que, de los alimentos que
ingiere. Además del valor nutritivo, todos los alimentos contienen un reservorio de
energía. La capacidad energética de los alimentos se mide en Calorías
52

(kilocalorías) o calorías grandes. La Caloría es mil veces mayor que la caloría. Así
que, la Caloría es la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura
de 1,0 Kg de agua en 1,0 o C.
Veamos un ejemplo de lo que podemos hacer con la energía que nos
suministran los alimentos. Según los nutricionistas, la mantequilla tiene un valor
energético de 6,0 Kcal/g. Si toda esta energía pudiese ser convertida
completamente en energía mecánica, ¿cuánta mantequilla tendría que ingerir un
andinista de 80 kg de peso para ascender al Pico Bolívar ubicado a 5.000 m de
altura sobre el nivel del mar (snm), partiendo desde Mérida que se encuentra a
1.500 m? Consideremos que 1 cal = 4,2 J. Como todas las calorías que el
andinista recibe las gasta en subir, su energía interna
U no aumenta. Para poder
ascender, el andinista necesita energía que toma de la mantequilla. En Mérida su
energía potencial es E M = m g h M y al llegar al pico es E p = m g h p . La diferencia
entre éstas, es lo que tiene que consumir con la mantequilla. Es decir, E M - E p =
mg (h M - h p ). Al sustituir los valores, se tiene que E M - E p = 2,7x10 6 J = 65.000 cal =
65 Kcal (Kilocaloría). Ahora bien, 1 gramo de mantequilla tiene 6,0 Kcal; entonces,
65 Kcal están contenidos en 65/6,0= 11 g. Pero de toda la energía que consume su
cuerpo, sólo el 20 % se transforma en trabajo mecánico realizado por los músculos;
el resto, 80 % se gasta en mantener el metabolismo basal del organismo. Por lo
tanto, tiene que consumir 55 g. Le bastan 55 gramos para subir al pico Bolívar,
pero ¿qué pasaría si consume el doble de mantequilla?
Los alimentos de la dieta diaria contienen principalmente carbohidratos,
grasas y proteínas. Los carbohidratos se convierten en glicógeno (almidón animal)
y energía; las proteínas se rompen en aminoácidos que el organismo reorganiza
para construir sus tejidos, se queman para obtener energía y se transforman en
azúcares y contribuyen a la formación de grasa; las grasas dan lugar a energía y
nuevas grasas que se almacenan en los tejidos.
53

Tabla 3 Requerimiento energético
de las personas.
Así por ejemplo, la
glucosa, azúcar de los
vegetales, produce 3,75
Cal/g cuando se quema
totalmente a CO 2 y H 2 O y los
polisacáridos (almidones)
producen entre 3,95 y 4,18
Cal/g. La combustión de
grasas produce cerca de 9
Cal/g.
Al conjunto de
funciones primarias del
cuerpo se denomina
metabolismo, el cual
comprende diferentes
reacciones y procesos
fisicoquímicos que tienen lugar en las células del cuerpo. El metabolismo, que
transforma la energía química de los alimentos que ingerimos en energía mecánica
y calor, mide el gasto energético muscular al realizar actividades como movernos,
pensar y crecer. En estado de reposo, cada persona tiene un gasto mínimo de
energía para mantener activas las funciones vitales del organismo.
Una persona por día requiere entre 1.500 y 3.000 Kcal dependiendo de la
edad sexo, talla, tipo de trabajo que realice, entre otros factores. Mediante una
dieta balanceada en calorías es posible controlar su peso; si tiene un gasto
energético igual al que consume por día, mantiene su peso; si gasta más de lo que
consume, su peso disminuye y en caso contrario, aumenta. Si una persona gasta
2.000 Kcal por día, por ejemplo, significa que gasta 97 W, es decir, 97 J por
segundo. A fin de comparar, recordemos que un bombillo de filamento de 100 W,
emite 100 Joule por casa segundo. Por otra parte, sí en un salón de clase tenemos
54

30 estudiantes sentados, como cada uno gasta 15 Kcal /h (17 W) según la tabla 3,
la entrega total de energía al aire y paredes del salón será de 510 W y en
consecuencia aumenta la temperatura del aire.
La mínima cantidad de energía, requerida para mantener al cuerpo
funcionando en reposo físico y mental, se conoce como metabolismo basal. Para
una persona de 50 años, con 1,70 m de estatura y que pese 70 Kg, su metabolismo
basal es de aproximadamente 2.200 Kcal por día. En la tabla 3 se muestra el
requerimiento energético para realizar diferentes actividades. Por ejemplo para
estar sentado se requiere de 15 Kcal/h (17 W), para caminar entre 200 y 350 Kcal/h
y para correr entre 800 y 1.000 Kcal/h.
Tabla 4 Valor energético de algunos alimentos
por cada 100 g.
En la tabla 4 se puede apreciar el valor energético de algunos alimentos. Así
por ejemplo, por cada 100 g de huevo de gallina se consumen 150 Kcal; el aporte
55

calórico de la leche de vaca completa es de 500 Kcal y el de la mantequilla es de
700 Kcal.
13 El horno microondas
Rango de longitud de onda de las microondas.
Las microondas son ondas
electromagnéticas que viajan a
la velocidad de la luz (300.000
Km/s). Tienen longitudes de
onda del orden de los
centímetros; las más largas no
pasan de 30 cm.
Técnicamente son generadas mediante un dispositivo eléctrico conocido
como magnetrón, inventado en 1916 por Albert W. Hull. En 1940, Boot y Randall
probaron una versión modificada que producía ondas con longitud de 9,8 cm (que
corresponden a una frecuencia 3.061 MHz) y con una potencia de 400 W. Se le dio
uso militar.
Magnetrón.
Campo electromagnético de las microondas
interactuando con la molécula de agua.
56

En 1945 el científico americano Percy Spencer, descubrió las posibilidades
culinarias de las microondas al preparar con éxito cotufas de maíz. Desde
entonces, el horno microondas utiliza ondas electromagnéticas de
aproximadamente 2.500 Megahertz (2.5 Gigahertz) de frecuencia para calentar la
comida. El calentamiento resulta de la interacción entre las ondas
electromagnéticas y las moléculas del agua, grasas y azúcares. En el caso del
agua, por estar constituida por moléculas fuertemente polares (ver numeral 2 de
este libro), con un sector con carga eléctrica positiva y el opuesto con carga
negativa, el campo eléctrico oscilante de la onda electromagnética la hace girar y
su energía promedio se incrementa, al igual que la temperatura. En este caso, la
energía cinética de rotación se transforma en energía de traslación por efecto de
los choques moleculares y en consecuencia, el agua se calienta. Así, la energía
electromagnética se transforma en calor.
14 Dioxina cancerígena
Las dioxinas son sustancias químicas incoloras e inodoras que se obtienen a partir
de procesos de combustión donde está presente el cloro. Todas tienen la misma
estructura y geometría molecular básica de átomos de carbono-oxígeno y átomos
de cloro ligados a los de carbono. El
término se aplica indistintamente a las
policlorodibenzofuranos (PCDF) y las
policlorodibenzodioxinas (PCDD). Son
estables químicamente, poco
biodegradables y muy solubles en las
grasas. Pero, algunas clases son
Molécula de dioxina.
extremadamente toxicas.
57

Según investigadores de La Universidad de Johns Hopkins los compuestos
de la Dioxina causan cáncer, y sobre todo de mama. Por lo tanto se recomienda no
calentar o preparar alimentos en el horno microondas dentro de recipientes de
plásticos, pues la combinación de grasa, temperaturas elevadas y plástico, libera
dioxina en forma de vapor, que al ser absorbida por los alimentos, penetra en las
células de nuestro cuerpo. Peor aún, si se usan bolsas de plásticos y papel
envolvente tipo envoplas.
15 Los utensilios de aluminio y teflón
Desde hace mucho tiempo los utensilios de aluminio se usan normalmente en la
cocina. Este metal posee ciertas características que lo hacen apropiado para la
fabricación de ollas, sartenes y cubiertos. Sin embargo el aluminio, al estar en
contacto con el aire, reacciona con el óxígeno y forma una capa de óxido de
aluminio (Al 2 O 3 ). Según estudios recientes, el aluminio resulta perjudicial para la
salud. Tasas elevadas de aluminio se han
relacionado con pérdida de memoria,
senilidad precoz y Alzheimer. Conviene, por
tanto, tomar las precauciones cuando se
usa en la cocina. Por consiguiente, es
preferible usar utensilios de acero
inoxidable, por ser ésta aleación
químicamente mucho más estable.
Molécula de teflón.
Por otra parte, el teflón también tiene un uso generalizado en la cocina; el
aluminio y el teflón se usan en la fabricación de sartenes, por ejemplo. Muchos
otros utensilios también se recubren con este compuesto por sus propiedades
58

antiadherentes. Este material es un polímetro cuyo nombre químico es el
politetrafluoretileno (PTFE). Fue descubierto accidentalmente por el químico
norteamericano Roy J. Plunkett (1940-1994), durante su trabajo en la empresa
DuPont. Al estudiar sus propiedades, descubrió que era inerte a todos los
disolventes, ácidos y bases disponibles, debido básicamente a la protección de los
átomos de flúor sobre la cadena carbonada. Esta carencia de reactividad hace que
su toxicidad sea prácticamente nula.
Otras de las propiedades que lo favorecen es su impermeabilidad, que
mantienen sus cualidades en ambientes húmedos; además, de todos los materiales
conocidos, es el que posee menor coeficiente de fricción. Es también un gran
aislante eléctrico y sumamente flexible, no se altera por la acción de la luz y es
capaz de soportar temperaturas de 340 ºC.
Por sus propiedades de impermeabilidad, antiadherencia y elevado punto de
fusión, se utiliza con frecuencia en los utensilios de cocina como ollas y sartenes,
donde se requieren materiales que soporten elevadas temperaturas.
Últimamente se cuestiona el uso del teflón en los utensilios de cocina porque
al alcanzar altas temperaturas podría desprender varios gases, entre los que se
encuentra el perfluorooctanoico, o PFOA, conocido también como C-8, ingrediente
altamente tóxico que se usa en su fabricación; sin embargo, los fabricantes
aseguran que el teflón de los utensilios carece de este compuesto. Sin embargo, se
recomienda no someter los utensilios de cocina que contengan teflón, a
temperaturas superiores a 250 ºC para evitar su evaporación. Además, el utensilio
no se debe usar solo, sino con alimentos para impedir que se caliente demasiado
y se evapore el teflón que contiene.
59

16 Los cubiertos: tenedor, cuchillo y cuchara
En la actualidad, los utensilios de cocina se construyen con diversos materiales
modernos y con características particulares, que los hacen funcionales y
ergonómicos. Se usan metales, plásticos y cerámicas.
Por ejemplo, el cuchillo de mesa tiene un mango de sujeción con una hoja
de acero de punta redonda y el de carne, posee un borde afilado con filo aserrado.
Como la función principal del cuchillo es cortar, se afila uno de los bordes para
facilitar la tarea de corte de los alimentos. Se afila el borde para aumentar la
presión sobre la superficie del alimento y lograr así que el cuchillo corte y penetre.
Recordemos que la presión P que se ejerce sobre una superficie S, se logra al
aplicar una fuerza F perpendicular sobre ésta, es decir P = F/S (N/m 2 ). De modo
que, aunque se aplique la misma fuerza, la presión se aumenta si se disminuye el
área del filo de la hoja.
Respecto al tenedor, el cual sirve para pinchar, podemos mencionar que
por lo general tiene cuatro dientes delgados con puntas afiladas. Al disminuir la
superficie de las puntas de los dientes se ejerce mayor presión sobre la superficie
de los alimentos y así, se pueden manipular éstos con más facilidad. Por otra
parte, la característica curvatura de sus dientes facilita el transporte de los
alimentos a la boca; y hasta sirve para desgarrar algunos alimentos al aplicar
palancas sobre sus superficies en ocasiones de violación de las reglas de etiqueta
en la mesa.
La cuchara con su concavidad característica, hace las veces de mini
recipiente para transferir los alimentos desde el plato a la boca. Resulta interesante
observar las imágenes especulares que se forman en una cuchara limpia y pulida.
Si colocamos la superficie convexa frente a nosotros y observamos nuestra imagen
notaremos que, aunque tiene la misma orientación que nuestra cara (hacia arriba),
es más pequeña; al contrario, si nos miramos en la superficie cóncava,
60

dependiendo de nuestra posición, lejos o cerca, observaremos una imagen
pequeña e invertida o más grande y normal (hacia arriba), respectivamente. ¡Hasta
en la cocina podemos comprobar las leyes de formación de imágenes especulares
de la óptica! Se propone la realización de estos experimentos para el próximo
almuerzo.
Varios experimentos de equilibrio mecánico se pueden hacer con un par de
tenedores. Logre equilibrar un tenedor y una cuchara sobre el borde afilado de un
cuchillo; intente hacer lo mismo con el cuchillo sobre el borde de otro cuchillo. En el
primer caso se puede, porque los centros de gravedad quedan por debajo de los
puntos de apoyo y se mantienen en equilibrio estable, gracias a las curvaturas que
poseen estos instrumentos; en el segundo no, porque al quedar por encima el
centro de gravedad, se coloca al sistema en equilibrio inestable que lo hace girar y
caer.
Por otra parte, con dos tenedores incrustados en un corcho, una aguja de
coser y una botella de vidrio se puede construir un sistema que permanezca en
equilibrio mecánico, retando el sentido común. Se deja al lector su realización
práctica.
17 La tensión superficial
Moléculas de agua, superficial y sumergida,
rodeadas por sus vecinas.
Muchas veces hemos observado que
pequeños insectos permanecen
sustentados en la superficie libre del
agua de un recipiente o un estanque.
Como los insectos tienen peso, es de
suponer que existe una fuerza neta en
sentido contrario, es decir dirigida hacia
arriba, que se oponen a sus
hundimientos. Esta fuerza se origina, por
61

la interacción molecular en la interfase de separación que se forma entre el agua y
la superficie de las patas. Este simple hecho da cuenta de que, en la superficie libre
del agua se forma una película muy delgada.
En agua, como cualquier líquido, tiene una superficie con propiedades
parecidas a la de una membrana elástica generada por la interacción entre sus
propias moléculas y la interacción de sus moléculas con las del el aire que le rodea.
En un líquido, cada molécula está sometida a la acción de sus vecinas más
cercanas; por debajo de la superficie libre, las fuerzas atractivas (de naturaleza
eléctrica) sobre una molécula particular, tienen la misma magnitud en todas las
direcciones, y por consiguiente en promedio, la suma se anula. En cambio, las
moléculas que se encuentran en la superficie (interfase) de separación de los dos
medios están rodeadas en la parte inferior por moléculas iguales (agua), y por
encima por moléculas diferentes (aire). Por lo tanto, existen más moléculas por
debajo que por arriba, debido a que la densidad del medio inferior (agua) es mayor
que la densidad del medio superior (aire). Debido a la asimetría existente, la fuerza
neta (dirigida hacia abajo) de las moléculas de agua es de mayor magnitud que la
fuerza neta (dirigida hacia arriba) de las moléculas de aire; por lo tanto, la fuerza
resultante estará dirigida hacia el interior del líquido y perpendicular a su
superficie, como se indica en la figura anterior. Así que, la fuerza resultante sobre
las moléculas de la interface (dirigida hacia abajo) y que tiende a arrastralas hacia
el interior del líquido, es la responsable de que aparezca una membrana elástica en
su superficie libre. Tal membrana está tensa, es decir tiene una tensión
superficial. En consecuencia, se requiere de cierto gasto energético para efectuar
un trabajo (negativo) que permita desplazar las moléculas desde el interior del
líquido hasta su superficie. Es por esto que las moléculas en la superficie tienen
mayor energía potencial. Este proceso es equivalente a levantar un objeto en el
campo gravitacional terrestre; se incremente su energía potencial.
62

Tal membrana se puede deformar con la aplicación de una fuerza; al
deformarse, se estira y aumenta su superficie. Al estirarla, se está desplazando
desde el interior del líquido cierta cantidad de moléculas a la superficie; por
supuesto, para poder estirarla y aumentar su superficie, hay que realizar un trabajo
mecánico con el correspondiente gasto energético. Al dejar de aplicar la fuerza, la
membrana adopta la forma y el tamaño que corresponda a la mínima configuración
energética donde permanece en equilibrio estable de nuevo.
La tensión en la superficie de la membrana se puede medir. Así que, se
define la tensión superficial como el trabajo que se debe realizar para desplazar
cierto número de moléculas desde el interior del líquido hasta la superficie y
aumentar la superficie en una unidad. Se mide con el coeficiente de tensión
superficial definido de la siguiente manera: ΔU = - γ ΔS, donde ΔU es el
trabajo requerido para aumentar la superficie del líquido en la cantidad ΔS, y el
signo negativo significa que al aumentar la superficie se efectúa
un trabajo
negativo. Por ejemplo, para el agua, con una interfase con aire, el coeficiente es
de 73 erg/cm 2 ; esto significa que, se requieren de 73 erg para incrementar la
superficie de una membrana de agua en 1 cm 2 .
La tensión superficial origina una especie de membrana en los líquidos que
la mantiene tensa con una fuerza tangencial y en dirección perpendicular en todo
punto de su borde. La tensión de esta membrana, en el caso del agua pura,
depende de la temperatura; a mayor temperatura, menor es el valor del coeficiente
de tensión superficial y la membrana es
más fácil de estirar. El mismo efecto se
puede lograr agregando un poquito de
jabón al agua. Con los experimentos que
se proponen a continuación se aclararán
estos conceptos.
Clip sostenido por la tensión superficial
en el agua.
63

La tensión superficial es la responsable de la forma esférica que adoptan las
gotas de los líquidos, por la tendencia que tienen de ocupar la menor superficie
posible con ese volumen, donde las moléculas superficiales adoptan la
configuración de mínima energía; también es la responsable de qué objetos
pequeños de mayor densidad que el agua floten en su superficie y no se hunda en
ésta; de qué el agua mojealgunos materiales y a otros no; y
que se
puedan hacer burbujas gigantes de jabón.
Para experimentar: Con un aro de unos 10 cm de diámetro y una solución
jabonosa, se puede comprobar la existencia de una fuerza tensora en una
membrana de agua. En tal sentido, se introduce el aro en la solución y se saca al
aire. Observaremos que se forma una película como se puede apreciar en la figura
de abajo (A). Cuando una parte de la película se rompe, pinchándola con una aguja
en la parte superior, la fuerza tangencial de la tensión superficial de la película de la
región inferior, tensa al hilo sobre toda su extensión como se muestra (B). Por otra
parte, cuando se coloca un hilo atado por sus extremos dentro de la película (C)
podemos observar que el hilo se posiciona en cualquier parte de la película porque
sobre ambos lados del hilo actúa la tensión superficial y en consecuencia la fuerza
es nula. Pero al romper la película dentro del hilo, este adopta la forma de
circunferencia por la acción de la fuerza de tensión superficial (flechas alrededor
del círculo) que ejerce la solución jabonosa (D). Cabe mencionar que estas
películas jabonosas tienen dos superficies y cada una actúa con una tensión sobre
la membrana.
A) B) C) D)
Experimentos con aros para demostrar la acción de la tensión superficial
de una película jabonosa.
64

18 ¡A fregar con jabón!
Todos sabemos que los jabones sirven para lavar, que son de uso obligado en el
hogar y que su costo es cada día mayor. En consecuencia, proponemos este
proyecto escolar con el objetivo de solventar en cierta medida los gastos de la
cesta básica familiar y al mismo tiempo, que cumpla con la función pedagógica de
preparación del estudiante en el uso de los conceptos fundamentales de la física y
la química, para incorporarlo al trabajo productivo, con la intención de generar una
economía social solidaria en la escuela, el liceo y su entorno comunitario, acorde
con los planes de desarrollo endógeno establecido por el estado. Además se
propone usar el aceite vegetal usado varias veces en frituras en la cocina, para
contribuir con la noble acción de salvaguardar el ambiente. El aceite vegetal que se
desecha en la cocina y que se vierte en los lavaplatos, va a parar a ríos y lagos del
territorio nacional; como es menos denso que el agua flota en su superficie e
impide su oxigenación y la entrada de luz solar.
Según registros históricos de los pueblos celtas, fenicios y romanos, las
piras de sacrificios de animales eran de uso común en las ofrendas que se hacían
a los Dioses. Después de este servicio, en muchos casos, tales piedras quedaban
impregnadas con residuos de grasa de los cadáveres. Ésta al combinarse con las
cenizas (óxidos de metales alcalinos) y el agua derramada para apagar el fuego,
producía los hidróxidos o álcalis que llevan a cabo el proceso conocido, hoy en día,
como saponificación. Luego, algunas personas observaron su poder detergente al
tratar de lavar sus manos y prendas manchadas con esta mezcla, descubriendo
así, nuestra imprescindible sustancia del diario aseo personal: el jabón. Sin
embargo, aunque se conoce desde hace 2.800 años, no fue sino hasta el siglo II de
nuestra era que comenzó a emplearse en el lavado, ya que antes se le daba uso
medicinal exclusivamente.
65

Reacción química para obtener jabón.
Actualmente, en la preparación del jabón se usa hidróxido de sodio (sosa) y
grasa. Al combinar éstas sustancias, la disolución alcalina descompone la grasa
en: un alcohol (el glicerol) y una sal de un ácido graso de cadena larga (un jabón).
En el recuadro de la figura adjunta se muestra una reacción de hidrólisis
simplificada, donde se supone que los tres grupos R son iguales, aunque no
siempre es así. Normalmente, los jabones que se obtienen son mezclas de
diferentes sales de ácidos grasos que contienen de 12 a 18 átomos de carbono.
Los objetos se ensucian cuando se les adhieren a sus superficies, capas de
sustancias apolares como las grasas o aceites, combinadas con partículas de polvo
y otros materiales. El agua pura (sustancia muy polar) no elimina el sucio de los
objetos; pero, al agregarle jabón si lo hace. La explicación es la siguiente. El jabón
que se agrega y disuelve en agua está constituido por moléculas que tienen una
“cabeza” polar (grupo carboxilato, COO) hidrosoluble y una larga "cola" apolar de
la cadena hidrocarbonada (R) soluble en grasa. Cuando un número suficiente de
moléculas de jabón logra orientarse alrededor de una gotica de grasa, son atraídas
por las moléculas de agua que tiene una región cargada positivamente y la
despegan de la superficie del objeto.
66

Desde el punto de vista de la física,
los jabones cambian la tensión superficial
en la superficie del agua debido a que
disminuye la atracción molecular. Por lo
tanto, el jabón se considera una sustancia
tensoactiva.
Jabón actuando sobre el sucio.
A continuación se presentan una de
las tantas recetas para la preparación del
jabón.
Componentes:
250 ml de agua
250 ml de aceite vegetal usado
42 g de sosa cáustica (hidróxido de sodio, NaOH ) o sosa potásica
(hidróxido de potasio, KOH)
12 ml o más de alcohol absoluto para cristalizar (opcional)
Unas gotas de blanqueador (opcional)
Color vegetal (opcional)
Esencia (opcional)
Utensilios:
Una hornilla o mechero para calentar, tres ollas de barro o acero inoxidable, un
agitador de madera, una cuchara de palo, un envase para moldear el jabón y un
par de guantes plásticos.
Procedimiento:
Colocarse los guantes antes de comenzar la preparación. Se caliente el agua en un
envase de barro hasta que esté tibia y se le agrega, poco a poco, la sosa cáustica,
usando el removedor para que se disuelva suavemente.
67

Al preparar esta disolución se desprende suficiente calor como para calentar
el recipiente que lo contiene; este calor es necesario para que se produzca la
reacción química. Se agrega el aceite a la disolución lentamente y sin dejar enfriar,
se remueve constantemente durante al menos 1 hora, hasta que la mezcla espese
y se vuelva blancuzca. Se puede agregar varias gotas de blanqueador, como el
añil, para obtener una mezcla más blanca; color vegetal para obtener algún
colorido especial y esencias fragantes para aromatizarlo.
Finalmente, se vierte el jabón, aún líquido, en el envase para moldear y se
deje cuajar durante un día. Para lograr su cristalización, se rocía con alcohol
absoluto mientras se está cuajando en los moldes. Disminuyendo la temperatura se
puede acelerar su solidificación.
Advertencia: No tocar en ningún momento la sosa cáustica con las manos, es muy
corrosiva!!
Otro tipo de jabón interesante de fabricar es
el famoso “jabón de tierra”, fabricado aun en
algunas regiones andinas. Primero hay que
preparar la lejía (contiene hidróxido de
potasio) con la ceniza obtenida de la quema
de una paca de carbón vegetal. Se coloca la
ceniza en un recipiente con un litro de agua,
se disuelve y se deja reposar 24 horas;
luego, se cuela bien con un tamiz.
Posteriormente, se pone a hervir, a fuego
lento, esta solución y se le agrega poco a
poco sebo de res o grasa de carne de res
hasta que se derrita por completo y se forme
Partes de la nevera.
una pasta uniforme. Cuando esté tibia se le
da forma según la presentación deseada.
68

19 Funcionamiento de la nevera. Enfriamiento
magnético
Este electrodoméstico es de los más utilizados en las cocinas del mundo, por su
utilidad en enfriar y mantener los alimentos en buen estado por tiempo prolongado.
Fue William Cullen quién construyó en 1784 la primera máquina para enfriar. En
1859, Ferdinand Carré fabricó el primer frigorífico por absorción, con
amoniaco como gas refrigerante y en 1879, Karl von Linde construyó el primer
refrigerador doméstico. A comienzos de 1920, nacieron los refrigeradores
eléctricos, cuando dos suecos, Carl Munters y Balzer von Platen, inventaron uno
con un compresor accionado por un motor eléctrico. En esa misma época, Thomas
Midgley descubrió el gas freón (marca registrada DuPont), nombre genérico de un
grupo de clorofluorocarbonos (CFC). Al poco tiempo este gas reemplazó al
amoniaco. El freón se utilizó mucho en los refrigeradores y aires acondicionados,
pero está demostrado que ha contribuido con la destrucción de la capa de ozono y
al calentamiento global, y por tanto, se ha sustituido por otros compuestos
orgánicos como el propano y el butano.
Los actuales sistemas (industriales y domésticos) de refrigeración, ya sean
frigoríficos, congeladores o aparatos de aire acondicionado, utilizan la compresión
y expansión cíclica de un gas; al comprimirse el gas pasa al estado líquido y al
expandirse se evapora de nuevo. Para evaporarse necesita calor, que lo extrae del
interior del refrigerador, con el correspondiente enfriamiento de los alimentos.
Este tipo de refrigerador funciona con un compresor eléctrico. Tiene un
evaporador y un condensador. El compresor, mediante un motor eléctrico que toma
energía de la red eléctrica, obliga al gas a circular por todo el sistema de
refrigeración. El líquido refrigerante cuando circula por los conductos del
evaporador ubicado dentro del refrigerador, se convierte en vapor y absorbe calor
del interior. Luego el gas al condensarse, cuando pasa por el condensador ubicado
en la parte exterior, cede este calor al ambiente.
69

En la actualidad existen refrigeradores que usan otros principios físicos para
enfriar. Uno de estos, es el termorefrigerador/calentador que utiliza el efecto
termoeléctrico Peltier (ver recuadro) donde el intercambio de calor se efectúa
mediante la circulación de corriente eléctrica a través de módulos Peltier. Estos
sistemas no tienen partes móviles.
Efecto Peltier
La circulación de corriente eléctrica a través de las
uniones de un circuito formado por dos metales
diferentes, libera calor en una unión y lo absorbe en
la otra, según sea el sentido de la corriente. Este
efecto es inverso al Seebeck.
Cada módulo Peltier se fabrica con telurio-bismuto (Te 3 -Bi 2 ) tipo-p, y teluriobismuto
tipo-n, en pequeños bloques de 1 mm x 1 mm x 2 mm conectados en
paralelo en forma alternada en serie, tipo-n - tipo-p - tipo-n - tipo-p -, etc. Las
uniones donde la corriente va de n a
p absorben calor y las uniones
donde la corriente va de p a n
liberan calor. Los electrones que se
dirigen hacia el material tipo n,
ganan energía en forma de calor,
mientras que para ir hacia el
material tipo p, los electrones ceden
calor.
Módulo de Peltier.
70

Funcionamiento del módulo de Peltier.
Existe otro método basado en el efecto magnetocalórico que presentan algunos
materiales cerámicos y metales, cuando cambian reversiblemente la temperatura al
exponerse a campos magnéticos externos. Actualmente, se está investigando una
aleación metálica compuesta de cobalto, manganeso, silicio y germanio; no es
tóxica ni cara y absorbe suficiente calor a temperatura ambiente, por lo que puede
funcionar como bomba de calor. Así, cuando se activa el campo magnético, la
aleación se enfría y cuando se desactiva, absorbe calor del exterior y se calienta,
provocando así un enfriamiento de los objetos del entorno, principio éste de una
cámara de frío o de una nevera.
20 Modelo para predecir el precio de
enfriamiento del refresco
Esta actividad requiere análisis de los conceptos de calor y temperatura,
comparación de los procesos entre sí para determinar cuál es más importante,
efectuar el cálculo y realizar el experimento. Cuando planeamos un paseo al
parque o la playa siempre pensamos en una cava de anime para enfriar cierta
71

cantidad de refrescos. Supongamos que necesitamos enfriar 10 refrescos de lata
de aluminio de 300 cc cada uno hasta que la temperatura baje a 0 0 C. Para esto,
necesitamos cierta cantidad de hielo en cubitos de 10 cm 3 cada uno. Supongamos
que la temperatura ambiente es de 30 0 C. Podemos simplificar la solución
proponiendo que el hielo que se ha comprado se encuentra inicialmente a 0 0 C y
que se “derrita” por completo, sin que aumente la temperatura del agua de hielo.
¿Cuánto dinero aproximadamente se gastaría si el precio del hielo es de 6,7 Bs
(viejos, no fuertes). por cubito? La densidad del hielo es 0.92 g/cm 3 .
Las comparaciones son las siguientes. El líquido de los diez refrescos cede
calor al hielo sólo para derretirlo, sin aumentar la temperatura del agua de hielo; el
aluminio de las latas casi no cede calor porque su masa y su calor específico son
muy pequeños frente a los valores del agua (efectúe el cálculo). Además, el anime
absorbe poco y por ser un buen aislante térmico deja pasar muy poco calor del aire
exterior hacia adentro.
Luego, el calor cedido por todo el líquido de los refrescos es Q l = Ncm∆T y
el calor absorbido por el hielo es Q l = L M. Cómo Q l = Q l , se tiene al despejar la
masa M del hielo que se necesita,
M
NcmT
.
L
En esta ecuación N es el número de refrescos. Al sustituir los valores se
encuentra que la masa M de hielo es de 1.100 g ó 1,1 Kg. Por otra parte, como un
volumen de 1 cm 3 de hielo tiene una masa de 0,92 g (densidad del hielo es 0,92
g/cm 3 ), el volumen total de la masa M del hielo es de 1.100 g / (0,92 g/cm 3 ) = 1.200
cm 3 . Pero, si cada cubito tiene un volumen de 10 cm 3 , por consiguiente, de este
volumen total de hielo salen 1.200 cm 3 / 10 cm 3 = 120 cubitos. Y finalmente, como
cada cubito cuesta Bs. 6,7, se necesitan 120 cub x 6,7 Bs/cub = Bs. 800.
72

Precio de los refrescos en Bs. función de la diferencia de temperatura
respecto al ambiente.
Luego, en la computadora o cualquier calculadora con pantalla gráfica se
puede graficar el costo en bolívares en función de la diferencia de temperatura. En
la gráfica que se muestra arriba se tiene el precio total de los cubitos en bolívares
(viejos) en función de la diferencia de temperatura, para enfriar 10, 20 y 30
refrescos. En el caso de 10 refrescos y para una temperatura de 30 o C, el valor de
la gráfica coincide con el calculado previamente. También se concluye que
mientras mayor sea la diferencia de temperatura, y que mientras mayor cantidad de
refrescos se enfríen, más caro sale el paseo. Se le propone al lector recalcular lo
anterior para obtener el precio actual en Bs. F, así como realizar el experimento en
casa y comparar con esta solución a fin de probar la bondad del modelo.
73

21 Flotación de alimentos en agua
La masa de nuestro planeta Tierra deforma el espacio-tiempo a su alrededor y
aparece un campo gravitacional que atrae los cuerpos en su superficie. Cercana a
ésta la aceleración es de 9,8 m/s 2 . Tal atracción gravitacional es la responsable de la
caída de los objetos, de la existencia de la atmósfera planetaria y de la acumulación
de las aguas en las cuencas de los mares y océanos. Producto de la atracción
terrestre la presión hidrostática en los líquidos se incrementa con la profundidad, ya
que las capas de líquido más profundas soportan el peso de las capas superiores y a
mayor profundidad mayor es el peso soportado.
Previamente es conveniente revisar algunos conceptos fundamentales de
los fluidos (gases y líquidos). Según la
ley fundamental de la hidrostática para
los fluidos en reposo se cumple que la
presión P F (fuerza por unidad de
A
área) es directamente proporcional a
la profundidad h, es decir,
P D g h,
donde
D m (masa por unidad de
V
volumen) es la densidad y g es la
Presiones alrededor de un cubo de agua.
aceleración de la gravedad.
Los fluidos además de ejercer presión también “empujan”. Esta misma
presión al actuar sobre los cuerpos sumergidos, hace que aparezca una fuerza de
flotación o empuje E. Para demostrar esto consideremos un cubo de agua de
74

aristas b sumergido cierta profundidad; el resto del agua que está alrededor lo
presiona y aparecen fuerzas sobre todos sus lados.
Sin embargo, las fuerzas se anulan por las caras verticales paralelas entre si; en
cambio, en la cara horizontal inferior la fuerza es mayor por estar a mayor
profundidad, que en la cara superior. Al sumarlas, resulta una fuerza vertical E
hacia arriba que empuja al cubo hacia la superficie. Pero esto no ocurre, porque el
peso del cubo de agua es exactamente igual al empuje y por supuesto el cubo
“levita” y no se mueve; ni sube ni baja ni se va hacia los lados. Es decir, el fluido se
encuentra en equilibrio hidrostático.
Por otra parte, para obtener una expresión analítica para el empuje retomemos la
ecuación anterior. La diferencia de presión por debajo y encima del cubo es,
P
P D g ( h 1) ,
2 1
2 h
E ( P A D g a a ,
2 P1
)
2
E D g V .
A partir de esta ecuación se puede concluir que en general, el empuje que
experimenta un cuerpo en un líquido de densidad D es directamente proporcional
al volumen sumergido V . Como el empuje es una fuerza, se mide en newton (N).
Si el cuerpo se encuentra parcialmente sumergido, el empuje dependerá del
volumen sumergido, el cual es igual al volumen de agua que haya desplazado. Así
que, para el mismo líquido el empuje será mayor mientras mayor sea el volumen
del cuerpo sumergido; habrás notado que en una piscina es más fácil hundir con la
mano una pelota de “pinpón” que una de fútbol. De modo que, si se tienen dos
cuerpos de pesos muy diferentes, aunque sean iguales sus volúmenes, al
sumergirlos completamente en agua los empujes serán iguales. Pero, el empuje
también lo puedes cambiar variando la densidad del líquido. Según expresión
75

anterior, existen dos formas de variar el empuje sobre un cuerpo sumergido en un
líquido: cambiado la densidad del líquido o cambiando su volumen sumergido.
Así que, cómo cualquier cuerpo tiene dimensiones y por consiguiente
masa y volumen, y además se encuentra parcial o totalmente sumergido en un
fluido (aire o líquido), sobre el mismo actúa una fuerza de empuje verticalmente
hacia arriba, en sentido contrario al peso, dirigido hacia abajo. En consecuencia, un
cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido “pierde aparentemente peso”. Si
el cuerpo se encuentra en el vacío, como en el espacio interplanetario, el empuje
es cero. En el aire el empuje es pequeño; sin embargo el mismo cuerpo
completamente sumergido en el agua experimenta un empuje mil veces mayor, ya
que la densidad del agua es aproximadamente mil veces mayor que la del aire.
Por consiguiente, comparando el peso con el empuje podremos predecir lo
que sucederá con cualquier cuerpo sumergido en un fluido:
a) Sí el peso es mayor al empuje, se hunde.
b) Sí el peso es menor al empuje, flota.
c) Si son iguales, levita.
A partir de estas afirmaciones, podemos concluir que:
a) Sí la densidad del cuerpo es mayor que la del fluido, se hunde.
b) Sí la densidad del cuerpo es menor que la del fluido, flota.
c) Sí las densidades son iguales, levita.
Esta fuerza, fue descubierta por Arquímedes en el siglo III antes de nuestra
era, durante un arduo razonamiento para determinar la pureza del oro de la corona
del rey Hierón y fue la que originó su famoso grito de eureka (lo encontré), para
celebrar tan insigne descubrimiento.
76

A continuación se describen algunos experimentos con huevos de gallina.
Según lo percibido a través de nuestra experiencia diaria en las cocinas de
nuestros hogares, podríamos afirmar que un huevo en el aire o en el agua se
hunde. Sin embargo, a continuación describiremos algunas situaciones donde se
produce lo contrario. Es decir, describiremos una estrategia para lograr que el
huevo inicialmente hundido en el agua, emerja a la superficie. He aquí una forma
fácil de demostrar que un líquido (fluido) ejerce fuerzas sobre los objetos
sumergidos total o parcialmente en su interior, y que las mismas dependen de las
densidades y del volumen sumergido.
Posiciones de huevos en tres soluciones diferentes.
Se necesitan tres vasos transparentes de vidrio o plástico de aproximadamente 300
cc, tres huevos de gallina, agua y sal. En tal sentido, se identifica cada vaso con 1,
2 y 3. Luego, se llenan con agua directamente de la tubería y se coloca en cada
uno de ellos un huevo de gallina. Se podrá observar que los huevos se van al fondo
de cada vaso. Se deja el primer vaso tal como está, al segundo se le agrega
lentamente 70 g de sal y se revuelve.
77

Se puede comprobar que el huevo del vaso 1 permanece en el fondo y el del vaso
2 flota. Con el vaso 3 se procede como sigue: se prepara una solución
concentrada de agua salada (100 g disuelto en 300 cc) en otro vaso y se le agrega
Representación esquemática de las fuerzas
que actúan sobre la superficie de un huevo
completamente sumergido en agua.
lentamente esta solución al vaso
3 hasta observar que el huevo
empieza a subir un poquito desde
el fondo, se le vierte un poquito
más hasta que el huevo se
detiene a cierta profundidad sin
llegar a emerger a la superficie
del agua. Se presentan tres
situaciones diferentes: el huevo
del vaso 1 sigue hundido, el del
vaso 2 emerge a la superficie del
agua y el del vaso 3 “levita” a
cualquier profundidad dentro del
agua.
¿Por qué este comportamiento? Para dar respuestas a ésta interrogante, es
necesario considerar dos aspectos: En primer lugar, cuando se agrega sal al agua,
se está preparando una solución (con mayor densidad que la del agua pura),
constituida por dos componentes: uno líquido, el agua, que constituye
el solvente porque la solución resultante es líquida, y otro sólido, la sal, que
constituye el soluto que se disuelve en el primero. Según la terminología de uso
corriente, las soluciones propuestas están diluida (vaso 3) y saturada (vaso 2). Los
valores numéricos de sus respectivas concentraciones se determinan
porcentualmente en P/P.
78

En segundo lugar, como hemos discutido con anterioridad, un cuerpo
sumergido en un líquido (fluido) es sometido a la acción de presiones en toda su
extensión sumergida y que la presión (fuerza perpendicular a la superficie por
unidad de área) ejercida por el fluido aumenta directamente con la profundidad. Por
consiguiente, dos puntos a la misma profundidad tendrán la misma presión y por el
contrario, existirá una diferencia de presión entre dos puntos que se encuentren a
diferentes profundidades en el fluido.
En el caso de un huevo sumergido en el agua, existe una distribución de
presiones que producen fuerzas sobre su superficie tal como se ilustra en la figura
siguiente. En particular, la presiones son iguales en los puntos a y b de esta figura,
los cuales se encuentran a la misma profundidad. Las flechas azules representan
las fuerzas ejercidas perpendicularmente sobre una superficie extremadamente
pequeña en tales puntos; las rojas, sus respectivas componentes horizontales y
verticales. Note que al sumar estas fuerzas, las componentes horizontales se
anulan, mientras que las verticales se suman resultando una fuerza vertical dirigida
hacia abajo. Para el par de puntos c y d, las componentes horizontales también se
anulan, y las verticales dan como resultado una fuerza dirigida hacia arriba, pero
mayor que la fuerza resultante del par de puntos a y b. En general, al aplicar este
mismo análisis al resto de puntos sobre la superficie del huevo, se concluye que
sobre su superficie actúa una fuerza neta en dirección perpendicular a la superficie
del líquido que lo empuja hacia arriba. Esta es la fuerza de empuje.
Según esto, en el primer caso correspondiente al vaso 1, el peso p del
huevo dirigido verticalmente hacia abajo es mayor que la fuerza de empuje E con
dirección vertical hacia arriba; y por consiguiente, la fuerza resultante será hacia
abajo, por lo que el huevo se hunde en el agua.
En el segundo caso, en el vaso 2, la fuerza de empuje es mayor que el
peso y el huevo emerge porque la fuerza resultante se encuentra dirigida hacia
arriba. Emerge hasta la superficie donde se queda flotando en equilibrio, ahora
79

gracias a la igualación del peso con el empuje. Note que una parte del volumen del
huevo sobresale de la superficie del agua. Si se empuja el huevo hacia el fondo se
hunde completamente, pero acto seguido emerge de nuevo a la superficie. Al
hundirlo, se está aumentando su volumen y por consiguiente el empuje será mayor
que su peso, pero al flotar se igualan de nuevo y flota en equilibrio. Cabe
mencionar que, en este caso aumenta el empuje por la sal agregada al agua y
disminuye por la disminución de su volumen cuando el huevo emerge a la
superficie. En el tercer caso, en el vaso 3, el huevo “levita” a cualquier profundidad
debido a que el empuje es igual al peso. Aquí, sólo se ha aumentado el empuje
mediante el incremento controlado de la densidad del agua mediante la solución
saturada agregada.
En conclusión, en el segundo caso el huevo emerge porque se aumentó
el empuje sobre él, mediante el aumento de la densidad del agua con la sal
agregada. En el tercer caso, el empuje se aumenta gradualmente mediante el
aumento de la densidad con el agua muy salada, hasta que iguala al peso y puede
levitar. Desde otro punto de vista, podemos predecir si un cuerpo se hunde o no en
un líquido mediante la comparación de sus densidades. Si la densidad del cuerpo
sumergido es mayor que la del líquido, se hunde; en caso contrario, flota. Pero si
son iguales, el cuerpo permanece en levitación a cualquier profundidad.
Todos hemos observado que en una piscina profunda nos hundimos. Sin
embargo, podemos flotar de una forma tal que una porción muy pequeña del
cuerpo (las nariz) emerja de la superficie del agua, si llenamos completamente los
pulmones de aire, con lo cual se aumenta el volumen del cuerpo y por consiguiente
el empuje sobre el mismo. Así que, bajo los consejos del sentido común, no nos
lanzaríamos al mar si no sabemos nadar. Sin embargo, en las Salinas de Araya del
estado Sucre, podríamos perfectamente flotar, contraviniendo las advertencias del
sentido común, ya que la sal impediría nuestro hundimiento.
80

Según el sentido común nos atreveríamos a afirmar que un objeto de
acero de 5.000 toneladas se hundiría en el mar. Sin embargo, no ocurre así con los
grandes buques que constantemente cruzan los océanos de costa a costa porque
sus volúmenes son muy grandes y por consiguiente el empuje que sobre ellos
actúa.
Una técnica culinaria interesante basada en el empuje, es la que se
aplica para determinar si un huevo es fresco o está podrido. Si está fresco, como
ya se discutió, se hunde en el agua pura; pero si está podrido, en parte se ha
deshidratado a través de los poros de la cáscara y en consecuencia, su densidad
disminuye y flotará.
Igualmente, los globos aerostáticos funcionan bajo el mismo principio,
con aire caliente de menor densidad que el aire circundante que los hace subir.
La densidad y la solubilidad de los líquidos dependen de la temperatura.
Por consiguiente, a continuación se propone investigar: ¿Qué sucede sí se calienta
o enfría el agua en el primer vaso? ¿Flotará? ¿Y sí se cambia la temperatura en el
segundo y tercero? ¿Cómo cambia la solubilidad de la solución con estos cambios
de temperatura? Se recomienda investigar la dependencia cuantitativa de estas
propiedades con la temperatura, mediante las representaciones gráficas
correspondientes, que se pueden consultar en los manuales de física y química.
Se propone al lector repetir el experimento anterior con azúcar, en vez de sal, y
explicar lo que ocurra.
22 Modelo para predecir la flotabilidad de un
cuerpo
A continuación, elaboraremos otro modelo simplificado a fin de simular el
comportamiento de un objeto sumergido en un líquido,
sometido a ciertas
condiciones que de antemano conocemos. De aquí en adelante podremos hacer
81

predicciones sobre la respuesta del cuerpo sumergido a la acción de los cambios
preconcebidos que efectuaremos en su entorno.
Nuestro objeto de estudio es un cuerpo de peso,
p mg
D V
g , donde
D es la densidad del material y V su volumen. El cuerpo se encuentra sumergido
en una solución caracterizada por su concentración C y su densidad
D s .
Para iniciar el análisis es necesario tener presente lo siguiente. La
concentración porcentual peso-peso se define de la siguiente manera:
m1
% C x100
, donde m 1 y m 2 son la masa del soluto y el solvente,
m1
m2
respectivamente; de modo que C será igual a
ecuación m 1 en función de m 2 se obtiene que
m1
C
m1
m2
. Al despejar de esta
m
1
C
m
1 C
.
2
Por otra parte, la densidad de la solución es
m1 m
, donde m1 m2
es la
V
D s
2
masa total del soluto más el solvente y V el volumen de la solución.
Al sustituir m 1 en la ecuación de
Ds
se tiene
m1
m2
C
1
D s ( m2
m2
) ,
V 1 C V
C m2
1 m
( 1) .
1 C V 1 C V
D s
2
Pero, como la densidad del solvente puro es
m2 D p V y al sustituir en Ds
la expresión se reduce a:
m2
D p , al despejar se tiene que
V
82

D
1
1 C
s D p .
Es decir, esta ecuación permite calcular la densidad de la solución en función de la
concentración P-P y la densidad del solvente puro.
Ahora bien, a continuación es necesario hacer una comparación para
determinar si el objeto flota o se hunde en la solución. Existen dos fuerzas que
actúan sobre él: su propio peso hacia abajo, producto de la atracción gravitacional
de la Tierra y que produce el efecto de hundimiento; y el empuje, producido por la
solución y que produce el efecto de flotación.
Como el peso del cuerpo es,
p mg
D V
g , donde D es la densidad del
cuerpo y V su volumen; el empuje será
E D
s
gV
, donde D s es la densidad de la
solución y V es el volumen de líquido desplazado, igual al volumen del cuerpo
porque se encuentra totalmente sumergido. Así que, comparar las fuerzas sobre el
cuerpo, es equivalente a comparar su densidad con la que tiene la solución.
Al tomar el cociente
E / p se tiene que,
E
Ds
D
1
p
1 C
D p
D
p .
Por consiguiente sí: D , entonces E p y el huevo se hunde; si D s D , luego
Ds
E p y flota. Y sí D Ds
, levita en cualquier posición dentro del fluido. En este
caso particular, ¿cuál debería ser la concentración de la solución para que levite?
Si
E p, entonces se debe cumplir que
1
1 C
o
D
p
D
1
y en consecuencia, la concentración crítica debería ser,
83

C
o
D p
1 .
D
En base a lo anterior ahora podemos formular la siguiente pregunta: ¿qué
pasaría con un huevo de gallina si lo sueltas en una solución de agua con sal cuya
concentración peso-peso es del 17% P/P?¿Flota o se hunde? Consideremos que el
huevo tiene una densidad promedio de 1,1 g/cm 3 . La solubilidad de la sal, es decir
la máxima cantidad de cloruro de sodio (sal común) que puede disolverse
totalmente en agua es de 26 g por 100 g de agua a 20 o C.
En el caso de una solución de agua con sal, al sustituir los valores, se
obtiene que la densidad de la solución es de
D 1, 2D
s
p . Como la densidad del
agua pura es 1,0 g/cm 3 , finalmente la densidad de la solución de sal será de 1,2
g/cm 3 .
De acuerdo a este análisis, cómo la densidad de la solución es 1,2 g/cm 3 y la
del huevo es 1,1 g/cm 3 el huevo flotaría en una solución 17% P/P. Por otra parte,
la concentración para que levite es 9,1% P/P. Este es el valor crítico de la
concentración para que el huevo flote en cualquier posición dentro de la solución;
en soluciones con concentraciones de sal por debajo de este valor el huevo se
hunde y en soluciones con valores superiores a este valor, flota.
En la gráfica de la figura se muestra las fuerzas que actúan sobre el huevo:
el peso y el empuje E en función de la concentración C del agua salada (NaCl). Se
puede observar, que la intersección entre el peso p (la recta) y el empuje E (la
curva) es el punto crítico donde el huevo permanece levitando en equilibrio.
Observa que coincide con el valor calculado de 0,091. Para concentraciones por
debajo de este valor, el huevo se hunde: para valores por encima, el huevo flota.
84

Fuezas sobre el huevo en función de la concentración.
Por otra parte, como la solubilidad, es decir la máxima cantidad de cloruro de sodio
(sal común) que puede disolverse totalmente en agua es de 26 g por 100 g de agua
a 20 o C, es decir 20,6 % P/P, y la solubilidad crítica está por debajo de este valor,
con una solución diluida de sal, es suficiente para que se de la flotación sin
necesidad de preparar una solución sobresaturada, es decir, cuando no se puede
disolver más soluto a esa temperatura y éste precipita al fondo del envase.
85

23 El motor eléctrico de los electrodomésticos
Modelo del primer motor eléctrico de
Faraday.
Motor homopolar con sus componentes.
Michael Faraday (1791-1867) desarrolló a finales de 1821, un ingenioso
instrumento para demostrar que la energía eléctrica se podía convertir en energía
mecánica rotacional. Consta de un recipiente con mercurio (Hg), el cual contiene un
imán en forma de barra en posición vertical en su centro; dos electrodos, uno fijo y
otro móvil se conectan a una batería y se introducen en el mercurio; al cerrarse el
circuito, circula una corriente eléctrica por el alambre móvil, por lo que el campo
magnético del imán le aplica una fuerza que lo hace girar a su alrededor.
Hoy en día, una versión más elaborada de este instrumento, se conoce
como motor eléctrico. Desde entonces hasta nuestros días, el motor eléctrico ha
sentado pauta en todos los quehaceres de la actividad industrial, así como en las
cotidianas del hogar, donde su presencia se manifiesta a través de los diversos
electrodomésticos. Su funcionamiento está basado en los principios fundamentales
del electromagnetismo.
86

Motor homopolar con espira helicoidal.
rotor.
Motor homopolar con imán.
A continuación se describen
varios prototipos de motores
eléctricos. El primero, se
conoce como motor homopolar
porque el campo magnético
mantiene su polaridad en el
espacio e interviene sólo uno de
los polos magnéticos en la
rotación. Es de fácil
construcción; se requiere un
imán cilíndrico de neodimiohierro-boro,
alambre de cobre
Nro. 12 y una pila AA de 1,5 V.
Con el alambre de cobre se
hace la espira rectangular, la
cual se coloca sobre la pila
como indica la figura; su doblez
en forma de V se monta sobre
el borne positivo de la pila y sus
extremos doblados en arco se
ajustan de modo que hagan
contacto con la superficie del
imán. De esta manera la
corriente eléctrica circula por
ambos lados de la espira, entra
por el polo sur del imán y llega
de nuevo a la pila. Como la
espira con corriente eléctrica se
encuentra dentro del campo
magnético del imán, aparece
87

una fuerza magnética F sobre cada uno de los lados de la espira e igualmente un
par de fuerza, que la hace girar. Al cambiar la orientación del imán o la pila, cambia
el sentido de giro.
Otro modelo de motor homopolar consiste de una espira helicoidal, montada
sobre el borne positivo de la pila AA; al borne negativo se le coloca el imán, al cual
se adhiere por la atracción magnética sobre el metal, como se muestra en la figura
de la izquierda. La espira helicoidal es la que gira en este caso. Funciona igual que
antes; la fuerza magnética sobre ella es la responsable de su giro.
Por otra parte, también se puede hacer el montaje que se muestra en la
figura inferior, donde el imán es el cuerpo que gira. En el interior del imán el campo
magnético tiene dirección longitudinal y sentido sur-norte. Cuando el extremo
inferior doblado de la espira hace contacto con el imán, circula una corriente
eléctrica por su parte interna. Así que de nuevo, una corriente eléctrica circulando
dentro de la región de un campo magnético, estará sometida a la acción de una
fuerza eléctrica y en consecuencia, actúa un torque que hace girar el imán.
Finalmente, otro prototipo de motor eléctrico se propone a continuación;
consiste de una bobina circular de aproximadamente de 5 cm de diámetro con 30
vueltas de alambre de cobre esmaltado Nro. 18 y montada en dos soportes de
alambre de cobre de calibre Nro. 14. Además, consta de un imán permanente en
forma de aro, cables de conexión y una batería.
Para fabricar la bobina se enrolla alrededor de un cilindro de plástico, vidrio
o metal, 30 vueltas de alambre esmaltado. Se dejan unos 5 cm en cada extremo
del alambre por fuera de la bobina, para que sirva de eje de rotación. Con lija o el
filo de un “exacto”, se le quita completamente el esmalte a uno de los extremos del
alambre de la bobina y al otro extremo se le quita sólo la mitad, longitudinalmente.
El extremo semidescubierto hace las veces de conmutador y sirve para conectar y
desconectar automáticamente la bobina de la batería a medida que gira. A su vez,
los extremos de la bobina hacen las veces de eje de suspensión, lo que permite
88

montarla sobre el soporte hecho con alambre esmaltado y con un doblez
descubierto (sin esmalte). Hecho esto, se prueba si está balanceada; si no, se le
hace el balanceo correspondiente para lograr que permanezca en equilibrio
indiferente sobre el soporte. En esta condición, el momento (torque) sobre la
bobina es nulo (cero); si la bobina no se encuentra balanceada, el momento
efectuado por su propio peso la obliga a girar hasta adoptar una orientación
preferencial donde el momento de nuevo es nulo, lo cual no es conveniente porque
al girar produce vibraciones indeseables. Para balancearla se colocan en su arco
(semicircunferencia) superior contrapesos hechos con pequeños trozos del mismo
alambre hasta lograr que el torque sea nulo. Después de esto, está preparada para
conectarla a dos pilas grandes de 1.5 V. Por último, debajo de la bobina se coloca
el imán permanente en forma de aro de igual o mayor diámetro.
En las figuras siguientes se muestra una fotografía de un modelo
simplificado de este prototipo de motor eléctrico con todos sus componentes, así
como un diagrama de un montaje alternativo con el mismo sistema de
conmutación.
Este motor eléctrico funciona de la siguiente manera. El campo magnético se
establece mediante el imán anular y la corriente se le suministra a la bobina a
través de la batería; se conecta y desconecta con el conmutador colocado en uno
de los extremos del eje. Sin corriente, la bobina se mantiene en equilibrio
indiferente, es decir no adopta una orientación preferencial, si está balanceada. Al
conectar la batería, pasa corriente si la parte descubierta del conmutador hace
contacto con su soporte inferior; y no pasa, si es la parte esmaltada la que se
encuentra en contacto. Es necesario poner a girar la bobina, dándole un pequeño
impulso con la mano para que arranque y se mantenga girando. Funciona de modo
análogo al columpio del parque de diversiones, que mediante impulsos, dados en el
momento adecuado, logra oscilar con gran amplitud. Así, durante la mitad del
tiempo (medio ciclo) que tarda en dar una vuelta, pasa corriente por la bobina al
hacer contacto la parte descubierta del conmutador y aparece un par de fuerza
89

(torque) que la obliga a girar en un determinado sentido; pero durante el medio
ciclo siguiente, aunque no le pasa corriente, continúa girando debido a la inercia
rotacional que posee. Luego de esto, se repite el ciclo y el resultado es que la
bobina rota mientras esté conectada o desconectada a la batería
24 Los electrodomésticos se conectan en
paralelo
Motor eléctrico (izquierda) con sus componentes (bobina, imán, alambres y pilas).
Esquema del mismo (derecha. )
Un circuito eléctrico es un arreglo entre diferentes dispositivos eléctrico (resistencia,
condensadores, bobinas, entre otros) conectados entre sí mediante cables con el
propósito de oponer oposición (resistencia) al paso de la corriente eléctrica,
almacenar y liberar energía eléctrica (condensador) y oponerse al cambio temporal
de la corriente (inductancia). Muchos electrodomésticos que funcionan bajo la
acción de estas propiedades se conectan a la red de alumbrado eléctrico.
90

El voltaje de la red de alumbrado eléctrico es alterno, es decir, aumenta,
disminuye y cambia de sentido periódicamente 60 veces cada segundo: su
frecuencia es de 60 Hz. A manera de comparación, la corriente suministrada por
una pila eléctrica de 1,5 V, por ejemplo, es continua y constante en el tiempo; no
cambia de valor ni de sentido cuando circula por un circuito donde se haya
conectado. Así que, nuestro circuito de la red eléctrica trabajará con un voltaje y
una corriente alterna, cuyo valor promedio es de 120 V y una corriente promedio
que dependerá del valor de la
resistencia eléctrica por donde esté
pasando. La potencia eléctrica P
consumida por los aparatos se
mide en promedio mediante la
siguiente expresión: P = I V, donde
I es la intensidad de la corriente
(Amper) y V es el voltaje (Volt).
Conexión en paralelo de dos bombillos en
circuito de corriente directa.
Cualquier bombillo para
conectar a la red de alumbrado
eléctrico funciona con un voltaje de
120 V y una potencia, energía liberada por unidad de tiempo, que depende de qué
tanta luz se quiera producir. Por esto, los bombillos pueden ser de 15 W, 40 W, 60,
75 W, 100 W, entre otros. Por lo tanto, el de 100 W brilla más que uno de 40 W, por
ejemplo. Los fabricantes de bombillos los diseñan de modo que brillen al máximo
para el número que lo caracteriza (la potencia), siempre y cuando se conecten a
120 V de corriente alterna; por consiguiente, si se conecta a un voltaje menor
brillará menos; y si se conecta a uno mayor, pues simplemente se quema.
91

El circuito eléctrico doméstico de una casa o apartamento esta diseñado de
modo que los bombillos y electrodomésticos se conectan en paralelo. Este
La conexión a tierra no debe faltar en ningún
aparato eléctrico.
cableado sale por pares desde el
tablero y se reparte por toda la
casa. De esta manera se garantiza
la conexión simultánea de varios
bombillos y aparatos en los mismos
cables sin disminuir el voltaje de
entrada en uno de ellos.
Sin
embargo, se diseñan para soportar
una determinada potencia máxima,
al conectar uno o varios aparatos.
Si se conectan varios
electrodomésticos encendidos al
mismo tiempo y se excede este
valor límite, se corre el riesgo de
sobrecargar el circuito y producir un
cortocircuito. Los aparatos se protegen con fusibles y conexiones a tierra. En la
figura de abajo se hace una advertencia sobre un error común al conectar un
aparato.
25 La potencia eléctrica de los aparatos
Los electrodomésticos funcionan con la energía eléctrica que toman de la red de
alumbrado de 120 V. Los fabricantes de electrodomésticos especifican este
consumo de energía eléctrica por segundo en Wats (1 W = 1 J/s ). Por ejemplo,
una plancha eléctrica tiene un consumo de 1.000 W y un secador de pelo 1.875 W,
como se ilustra en la tabla 5. La empresa CORPOELEC mide el consumo en
Kilowathora (KWH), es decir se consume 1 Kilowats (KW) en un intervalo de tiempo
92

de una hora. Si el tiempo promedio que tarda una dama en secarse el cabello es de
20 minutos, y su secador estaba funcionando a la máxima potencia (1.875 W),
gastó 0,625 KWH. En caso de optar por la tarifa Residencial General (ver Tarifa
eléctrica), como cada KWH cuesta 0,0827 Bs., entonces gastó 0,052 Bs, es decir 5
céntimos para ese secado. Otro ejemplo, 10 bombillos de 100 W conectados 5
horas durante la noche, representan 5 KWH y cuestan 0,41 Bs.
Además, un aparato de aire acondicionado de de 24.000 B.T.U (British Thermal
Unit) regulado para que funcione con una temperatura de 20 C, consume
aproximadamente 2.800 W; si se mantiene encendido por 24 horas, gasta 67,2
KWH y su consumo en un día será de 5,56 Bs. En la tabla 5 se muestra el
consumo energético en W para varios electrodomésticos.
93

Tabla 1
Aparato
Potencia (W)
Secador de pelo 1.875
Plancha 1.200
Aspiradora 600
Ventilador 150
Televisor 90-150
Computadora 150
Lámparas incandescentes 40, 60, 75 o 100
Lámparas fluorescentes 10, 11, 15 o 21
DVD 30
Horno microondas 1.440
Aire acondicionado de
ventana-24.000 BTU/h
2.800
(temperatura regulada a 20 C)
Split-9.000 BTU/h 950
(temperatura regulada a 20 C)
Split-18.000 BTU/h 2.110
(temperatura regulada a 20 C)
Cocina eléctrica 1.000
Tostiarepas 1.200-1.400
Licuadora 600
94

26 Los bombillos incandescente y fluorescente
El bombillo eléctrico incandescente ha sido uno de los inventos que más ha influido
en el bienestar de la humanidad. Su historia se remonta más allá de Thomas Alva
Edison. Fue Sir Humphry Davy quién inicia en 1840 las investigaciones para
generar luz pasando electricidad a través de un delgado hilo de platino, pero su
rápida evaporación impedía que durara encendido varios minutos. En 1854 el
alemán Heinrich Gobel logró que un bombillo lleno de gas inerte con filamento de
hilos carbonizados de bambú, emitiera luz por unos pocos minutos. Sin embargo,
se le otorgan los créditos de su invención definitiva al norteamericano Edison, quién
el 21 de octubre de 1878 presentó un prototipo que duró 48 horas prendido
ininterrumpidamente y el 27 de enero de 1800 le conceden la patente de invención;
aunque, los británicos se los dan a Joseph Swan.
En la actualidad, el bombillo eléctrico consiste de un filamento largo (2
metros) y delgado (0.003 milímetros) de tungsteno o wolframio (metales de
elevados puntos de fusión) encerrado en una ampolla de cristal que encierra un
gas inerte (argón), como se puede apreciar
en la figura. Al establecer una diferencia de
potencial de 120 V entre los extremos del
filamento metálico con la adecuada
resistencia eléctrica, pasa una corriente
eléctrica con la intensidad requerida para que
se incremente la temperatura hasta 2.500 C,
producto de la fricción de los electrones
libres con la red cristalina metálica; de esta
manera, los electrones mas externos de los
átomos de tungstenos se ubican en niveles
energéticos de mayor energía y al decaer a
95

estados de menos energéticos, emiten luz en el rango visible y en el infrarrojo, que
no podemos ver. El 10% de la energía eléctrica suministrada al bombillo se
transforma en luz visible y el resto se pierde en calor. Así que, su rendimiento es
sumamente bajo.
La potencia del bombillo se mide por la cantidad de energía eléctrica que
consume y disipa de la red de 120 V por unidad de tiempo. Su potencia se mide en
Wats (W = J/s) y se fabrican de 25, 45, 60, 70 y 100 W, entre otros. Por el filamento
pasa corriente alterna de frecuencia 60 Hz (ciclos/s).
Los bombillos se fabrican bajo la política de la obsolescencia programada,
donde impera la cultura del comprar, votar y volver a comprar; es decir, aunque
existe la tecnología para fabricarlos de alta durabilidad desde los inicios de su
invención, se fabrican para 1.200 horas de duración, a fin de mantener su consumo
con el subsecuente problema de cómo desechar los residuos. Como una prueba
que sustenta lo anterior existe el histórico bombillo de Livermore, California, que
funciona desde 1.901 (Ver un interesante video sobre el tema de la obsolescencia
programada en: http://www.youtube.com/watch?v=KKQN4z5Eol8).
El tubo fluorescente es un dispositivo de alumbrado que permite un ahorro
sustancial de energía. Sin embargo, aunque aún se usa el tubo fluorescente, cada
día que pasa es desplazado por la Lámpara Fluorescente Compacta (CFL) de
mayor funcionalidad y
eficiencia.
A continuación se
describe el funcionamiento
del tubo fluorescente.
Consiste de un tubo de vidrio
rectilíneo o circular con dos
electrodos en cada extremo
conectados con filamentos de
96

tungsteno y lleno de mercurio (entre 5 y 10 mg) en estado gaseoso a baja presión
(0,8 Pa), además de una pequeña porción de un gas inerte (como el argón). El tubo
se conecta con varios dispositivos eléctricos como se esquematiza en la figura de
abajo. Al cerrar el circuito mediante el interruptor, la corriente eléctrica alterna de 60
Hz de frecuencia que entra al circuito desde la red de 120 V circula por el
condensador (almacena energía eléctrica), el balastro (ofrece resistencia al cambio
temporal de la intensidad de la corriente eléctrica), los filamentos (desprenden
electrones y mantienen el arco eléctrico) ubicados en los extremos del tubo y por el
cebador o estárter (sistema de arranque mediante un par bimetálico dentro de un
gas). Al pasar corriente por el estárter, salta una chispa en el par bimetálico, se
calienta el gas neón en su interior y el par cierra el circuito. La corriente eléctrica
establecida calienta los filamentos de tungsteno y desprenden electrones que
ionizan el gas argón dentro del tubo. Por consiguiente, en su interior se forma un
plasma con átomos ionizados y neutros de argón, átomos ionizados y neutros de
mercurio y electrones libres provenientes de los átomos ionizados. De esta manera
se establecen las condiciones para que después circule una corriente de electrones
entre los filamentos. Luego, en cuestión de segundos, se enfría el neón y se
desconecta el estárter. Esto hace que los filamentos del tubo se enfríen y dejen de
emitir electrones; a su vez, se induce un fuerza contraelectromotríz en el balastro
que hace aparecer un arco eléctrico que ioniza aún más al argón y aumentan las
partículas ionizadas del plasma. Los electrones del plasma chocan con los átomos
de Hg y los excitan (figura II.5); al “desexcitarse” (pasar a un estado energético de
menor energía) emiten fotones ultravioletas (fuera del rango visible) que
interaccionan con los átomos del compuesto de fósforo que cubre la superficie
interior de las paredes del tubo y los excitan. Estos, al “desexcitarse” emiten luz
blanca (visible) que podemos percibir con nuestros ojos. En las figuras siguiente se
explica en forma gráfica lo anterior.
97

Proceso de excitación del átomo de Hg y generación de luz
ultravioleta
Proceso de excitación del átomo de fósforo y generación de luz visible
En los recuadros que se indican a continuación se puede hace una comparación
entre el bombillo incandescente y la lámpara fluorescente.
98

Comparación de potencias
99

27 Consumo de energía eléctrica en una casa
A nivel mundial existe preocupación por el ahorro energético. Nuestro país no
escapa a esta inquietud, y a pesar de sus grandes reservas petrolíferas, se está
haciendo un gran esfuerzo en el ahorro de la energía eléctrica mediante el cambio
de los bombillos incandescentes de filamento por los de descarga en un gas.
Para tomar consciencia del gasto energético tenemos en primer lugar que
conocer nuestro consumo hogareño. Dos fuentes de energía abastecen los
requerimientos del los hogares: la eléctrica y la de combustión de metano o
propano. La energía eléctrica de consumo domestico llega a través del cableado
eléctrico. Los electrodomésticos obtienen su energía para funcionar directamente
de la red eléctrica de 120 V. Cada aparato tiene indicado por el fabricante su
consumo energético en W. Otros no lo indican directamente, pero dan el valor de la
intensidad promedio de la corriente eléctrica I (A) y el voltaje V (V). En este caso, la
potencia se obtiene multiplicando I por V, es decir P = I V en W.
Para conocer nuestro consumo mensual en el hogar, se requiere hacer una
lista de todos los electrodomésticos que poseemos con su respectiva potencia de
funcionamiento, el tiempo promedio de uso de cada uno y el valor de cada KWh
según la tarifa de CORPOELEC. En la tabla 6 se puede apreciar la potencia que
consumen algunos electrodomésticos de mayor uso en el hogar y en la tabla 7, una
planilla para el cálculo del consumo diario en una casa con varios aparatos
funcionando el tiempo señalado. En este caso particular puesto como ejemplo, el
consumo mensual es de 3.000 Bs.
100

Tabla 2 Consumo de varios electrodomésticos
Tiempo promedio
Aparato
Potencia
de uso (horas)
KWh
Costo (Bs.)
(W)
5 bombillos 500 5 2,5 47
1 secador de
pelo
1875 1/3 0,63 12
1 televisor 150 10 1,5 28
1 computadora 150 5 0,75 14
Total 101
28 ¿Cuánto cuesta mantener un recinto a 20 C?
El fabricante de aparatos de aire acondicionado especifica su capacidad para
enfriar un recinto en B.T.U y en frigorías. La frigoría es una medida de absorción de
la energía térmica. Se define como la energía que hay que quitarle a un gramo de
agua a 15,5 ºC, a la presión normal, para reducir su temperatura en 1 ºC. Una
frigoría es equivalente a 4 B.T.U.
Así que una habitación de 4x3x3 m 3 (36 m 3 ) se puede enfriar perfectamente
con un aparato de 8.000 B.T.U. Estos consumen alrededor de 1.000 W en una
hora. En consecuencia, si se mantiene encendido durante 12 horas durante la
101

noche a una temperatura de 20 C, consumirá alrededor de 12 KWh, es decir 230
Bs. con la tarifa anterior.
29 Forma de ahorrar energía eléctrica
Existen varias formas:
Una forma de ahorrar energía es mediante el cambio de bombillos
incandescentes por lámparas fluorescentes. En la Tabla 1 se puede
apreciar que un bombillo de 100 W es equivalente a una lámpara
fluorescente de 21 W. Su substitución representa un ahorro de 79%.
Muchos de los electrodomésticos tienen un pequeño bombillo que queda
permanentemente encendido emitiendo luz mientras permanezca enchufado
a la red. Estos LEDs son diodos semiconductores que emiten luz cuando los
atraviesan corrientes eléctricas y por consiguiente consumen entre 3 y 20 W
de energía. Veamos el siguiente ejemplo: Si el televisor de la Tabla 2
consume 150 W, y se mantiene prendido 5 horas al día, consume 0,75 KWh;
pero, como el LED que posee consume 15 W y permanece encendido 24
horas, gasta 15x(24-5)=0,315 KWh. Esta cantidad representa el 42% de
gasto extra de energía eléctrica.
El aire acondicionado consume bastante energía. Mientras mas frió se
mantenga el aire de la habitación mayor será el gasto. Aproximadamente,
por cada grado que se disminuya la temperatura, se gasta un 8% extra de
energía. Esto sin contar si la puerta se abre a menudo, si las ventanas no
están bien aisladas térmicamente, etc.
102

Bibliografía
1. Alonso, M., & Finn, E. (1971). Física. Mecánica, T VI, Fondo Educativo Interamericano, S. A.
2. Córdoba F., J., L., La química y la cocina, Fondo de Cultura Económica, México. Disponible
en:
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/093/html/laquimic.ht
ml
3. Castellan, G., W., (1987). Fisicoquímica. Sda. Ed., Addison Wesley Iberoamericana S. A.
4. Escalona, T., O. B., et. Al. (2005), Las Tres Marías, pp. 17-23, 73-77, 105-111y 121-128, C.A.
Editora El Nacional
5. Escalona, T., O. B., (2006). Física Interdisciplinaria: Los Fluidos
6. Escalona, T., O. B., (2008). Las Ondas, CELCIEC-ULA.
Disponible en: http://senderospedagogicos.blogspot.com/
7. Escalona, T., O. B., (2010). Física Interdisciplinaria: La termodinámica
8. Escalona, T., O. B., (2005). El electromagnetismo, CELCIEC-ULA
Disponible en: http://senderospedagogicos.blogspot.com/
9. Escalona, T., O. B., (2005). La Electrostática, CELCIEC-ULA
Disponible en: http://senderospedagogicos.blogspot.com/
10. Gardner, H., (1993). Multiple Intelligences: The Theory in Practice. NY: Basic Books.
11. Gamow, G., (1971). Biografía de la Física, Salvat Editores
Disponible en: http://www.disfrutalaciencia.es/articulos/juguetesinte.pdf
12. Halliday, D., Resnick, R., y Walker J., (1997). Fundamental of Physics, John
Wiley&Son,Inc., New York
13. Hewitt, Paul, (1998). Física Conceptual, Addison-Wesley, NY
14. Kikoin, I., y Kikoin A., (1971). Física Molecular, , Editorial MIR, Moscú
15. Oduardo O., A. Uso de ventosas como método terapéutico en el tratamiento de la
sacrolumbagia. Disponible en: http://www.16deabril.sld.cu/rev/244/uso_ventosa.html
16. Perelman Y., (1970). Física Recreativa, T I y II, Editorial MIR, Moscú.
Disponible en: http://www.geocities.com/yakov_perelman/
17. Palacino R., F., (2007). Competencias comunicativas, aprendizaje y enseñanza de la
Ciencias naturales: un enfoque lúdico, Revista Electrónica de Enseñanza de las Ciencias,
Vol.6 Nro. 2, 275-298. Disonible en http://www.saum.uvigo.es/reec
18. Penick, J., (1993). The Misterious Closed System. The Science Teacher. Disponible
en: http://www4.uwm.edu/libraries/ereserve/berg/mysclo.html
103

19. Slisko, J., (2005). Sacándole más jugo al problema de la corona. Primera parte: el
tratamiento conceptual. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias,
Vol. 2, Nº 3, pp. 364-373
20. Slisko, J., (2006). Sacándole más jugo al problema de la corona. Segunda parte: el
tratamiento cuantitativo. Rev. Eureka. Enseñ. Divul. Cien., 3(1), pp. 51-59
21. Strelkóv S., (1978). Mecánica, Editorial MIR.
22. Sáez A., P. J. (2007). Las ventosas, Revista de cultura popular y tradiciones de la
Rioja, Nro. 5, pags. 32-35. Disponible en:
http://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=2515093
23. Serefini, G., (2002). Didáctica de las ciencias naturales. Aportes y reflexiones, PAIDOS,
Argentina.
24. Velásquez, A., (En prensa). Elaboración de Sustancias Simples en el Laboratorio de
Química.
104