Termodinámica del agua



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Termodinámica del agua

por el Prof. Isidoro Martínez

Publicado en dos partes: Rev. Ingeniería Aeronáutica y Astronáutica 365, pp. 31-43, Sept-2001, y Rev. Ingeniería Aeronáutica y Astronáutica 366, pp. 11-21, Enero 2002.

(Basado en una conferencia en la E.T.S.I. Navales el 12-4-2000)
RESUMEN

Se presenta un conjunto de datos termodinámicos comentados relativos al agua, organizado en preguntas y respuestas, desde un punto de vista amplio y abierto, no con la aproximación tradicional centrada en su relevancia para las máquinas térmicas de vapor, sino abarcando desde la consideración de los detalles del enlace de hidrógeno, hasta los detalles de otras atmósferas planetarias y el efecto sobre el cambio climático terrestre.




¿Qué es la Termodinámica del agua? 1

¿Qué es más importante, la Termodinámica del agua, la del aire, o la del fuego? 2

¿Qué es la Termodinámica? 2

¿Qué es el agua? 4

¿Cómo es que hay tanta agua en el mundo? 5

¿Qué es en teoría el agua? 6

¿Cuál es la estructura del H2O? 8

¿Para qué sirve la Termodinámica del agua? 10

¿Hay agua en otros planetas? 11

¿Dónde llueve más, cómo y cuánto? 13

¿Por qué aparece el rocío en las hojas y los automóviles y no en los tallos o el pavimento? 14

¿Cómo varían la temperatura y la salinidad con la profundidad en el océano? 15

¿Cómo congela el mar, un río, un cubito de agua (de mar)? 16

¿La nieve es pegajosa (hacer bolas de nieve) o resbaladiza (esquiar)? 19

¿Qué sustancias no acuosas se presentan en estado líquido en la Naturaleza? 19

¿Cuáles son las propiedades térmicas del agua dulce (y del agua de mar)? 20

¿A qué temperatura hierve el agua? 23

¿Por qué dura tan poco la cocción en una olla a presión?, ¿está más caliente que un horno? 24

¿Por qué se tarda tanto en secarse las manos con aire? 25

¿Por qué el agua del tiempo parece estar más fría que el ambiente? 25

¿Qué es el cambio climático y por qué preocupa? 25

¿Es importante la termodinámica del agua en el cambio climático? 26

¿Qué es el efecto invernadero? 27

¿Qué es la desertización? 28

¿Resumen? 28

Referencias 28





¿Qué es la Termodinámica del agua?


La Termodinámica lo abarca todo: tierra, agua, aire, fuego,... (al menos esa es la visión del Profesor de Termodinámica). El agua es todo: la tierra, el mar, el aire, el fuego,... la vida; todo contiene y está dominado por el agua. Parece, pues, justificado el interés del tema que aquí se trata. Hablar del agua está de moda (e.g. 1er Foro Mundial del Agua en Marrakech en 1997, 2º en La Haya en el 2000, 3º en Japón en el 2003, 4º en Canadá en el 2006,...), pero de lo que se suele hablar es del agua potable y de su escasez y mala calidad, no del agua en general. Es como el tema energético, que a lo que se suele referir es a la cantidad y calidad de los recursos energéticos disponibles, ya que la energía, como el agua, en la Tierra, se puede considerar invariable, i.e., en conjunto, ni se crea ni se destruye. Ambos problemas son de escasez de calidad: el energético es que la energía aprovechable para transporte, electricidad y calefacción, con la tecnología actual es escasa; el del agua es que el agua aprovechable para seres vivos, industria y agricultura, con la tecnología actual es escasa.
La Termodinámica del agua enseña a convertir aguas de mala calidad en agua potable. En efecto, todo tipo de aguas malas para la salud, i.e. disoluciones acuosas con algún componente indeseado, puede purificarse por destilación hasta conseguir agua pura y, añadiéndole un poco de sales (unos 300 mg/l), aireándola (unos 10 cm3/l de oxígeno) y refrescándola un poco (suele gustar más el agua a unos 10 ºC), convertirla en una excelente agua potable. Un agua potable debe ser transparente (a veces la turbidez desaparece sola por decantación o por desgasificación; si no, hay que filtrarla), tener menos de 1000 mg/l de sólidos disueltos totales (de los que debe haber menos de 200 mg/l de cloruros y menos de 200 mg/l de sulfatos), y contener poca materia orgánica (menos de 5000 colibacilos por litro y una demanda biológica de oxígeno menor de 4 mg/l al cabo de 5 días). Al fin y al cabo, el ciclo hidrológico, que proporciona todo el agua potable del mundo, es un proceso termodinámico de destilación movido por un motor termodinámico basado en la diferencia entre la temperatura del Sol y la del espacio vacío.
Pero no se va a tratar aquí el problema del agua (potable) en el mundo, ni la Termotecnia del agua y su vapor (e.g. los procesos del agua en las calderas). Se va a empezar esbozando qué es la Termodinámica y qué es el agua, para pasar a dar unos ejemplos de para qué puede servir conocer la Termodinámica del agua. El núcleo de la exposición va a ser un resumen comentado de las propiedades (térmicas) del agua y de la estructura molecular del H2O, responsable de su comportamiento, para concluir con unas apreciaciones sobre la importancia de la Termodinámica del agua sobre el efecto invernadero y en general sobre el cambio climático.

¿Qué es más importante, la Termodinámica del agua, la del aire, o la del fuego?


Anécdota. La idea de preparar este artículo me vino de la insistente pregunta de mi hijo pequeño: -"Papá, ¿qué puede más, el agua o el fuego?", tema de moda en muchas de las actuales historias de acción de videojuegos infantiles.

El fuego (la temperatura) manda sobre el estado del agua (sólido, líquido, gaseoso) y por encima de 4000 K se rompen más del 50% de las moléculas de H2O y ya no cabe hablar de agua. Por otra parte, mucho fuego evapora el agua, y mucha agua apaga el fuego. Resumen: la realidad no es tan simple como los modelos mentales que nos vamos haciendo, y hay que seguir estudiando para entenderlo mejor.


El agua es el fluido vital por excelencia, como se comenta más adelante, aunque en el Génesis parece que el hombre fue hecho de barro (tierra) y una mezcla de aire y fuego (el soplo divino). El fuego ha sido la fuerza motriz de la Termodinámica (el mayor hito fue el trabajo teórico de Carnot de 1824 "Sobre la potencia motriz del fuego"), pero para desarrollarla ha interesado siempre trabajar con fluidos altamente compresibles, por lo que las sustancias de trabajo más comunes en Termodinámica son el aire y el vapor de agua. En el ámbito personal del individuo puede suponerse que el 'fuego' que necesita es el alimento, y así cabría preguntarse qué necesitamos más: agua, aire o alimento. En media, una persona adulta necesita cada día 4 kg de aire, 3 kg de agua y menos de 1 kg de alimento sólido (comida); apenas puede aguantar un par de minutos sin respirar, un par de días sin beber, pero puede aguantar un mes sin comer. Por cierto, el alimento y el aire (el combustible y el aire en los motores) proporcionan la energía para vivir (funcionar), pero ¿para qué necesitamos beber tanta agua?, de hecho, existen animales que no ingieren nada de agua (aunque la generan en su interior por combinación de los átomos de hidrógeno en el alimento con los de oxígeno del aire). Y es que la Termodinámica no es sólo la ciencia de la energía térmica, sino la de todos los procesos térmicos, como se explica más adelante.
Incluso en el ámbito doméstico, el agua se usa para beber y lavar (en todas sus variantes), para cocinar, regar plantas, humedecer, etc.; el hielo se usa para enfriar bebidas y como antitérmico cutáneo; y el vapor se usa para cocer, para planchar, para limpiar, para humedecer, como ayuda respiratoria, para esterilizar, etc. Directamente relacionado con la Termodinámica del agua está la Termodinámica del aire húmedo (aire acondicionado, enfriamiento evaporativo, secado y humidificación, etc.) y la Termodinámica de la cocina, o del hogar en general. A modo de ejemplo, una pregunta que merecería un análisis detallado podría ser ¿a qué distancia mínima puede ponerse la mano sobre el pitorro de una olla a presión clásica cuando está pitando el chorro de vapor a toda velocidad?



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