Pon un cazo con hielo al fuego y vigila el termómetro. Sube hasta 0 °C y… se para. Sigue el fuego encendido, sigue entrando energía a raudales, y durante varios minutos el termómetro no se mueve. Cuando el último cristal desaparece, echa a andar otra vez. A 100 °C, la misma escena, pero mucho más larga. Esos dos plantones son calor latente, y el adjetivo es literal: calor escondido, que el termómetro no ve.
Aporta energía y mira el termómetro. Dos veces se planta: mientras funde y mientras hierve, el calor entra a raudales y la temperatura no se mueve. Esa energía escondida es el calor latente.
Cien grados de agua líquida cuestan 419 kJ. Es el tramo que tu intuición conoce: el hervidor, la olla, la ducha.
Dónde se va la energía
Si la temperatura no sube, ¿en qué se gasta el calor que entra? En romper los lazos entre moléculas. En el hielo, cada molécula está encajada en una red de puentes de hidrógeno; fundir es aflojarla lo justo para que resbale sobre sus vecinas, sin que se separen. Hervir es mucho más caro: hay que arrancarlas por completo, mandarlas a viajar solas y, de paso, empujar la atmósfera para hacerles sitio, porque un kilo de vapor a 100 °C ocupa 1600 veces más que un kilo de agua. De ahí que la meseta de ebullición sea casi siete veces la de fusión.
Pon esos números en perspectiva. Fundir un kilo de hielo cuesta lo mismo que calentar un kilo de agua líquida 80 grados enteros — de helada a casi hirviendo. Y evaporarlo, lo que costaría subirla 539 grados, cosa que ni siquiera es posible: el agua se acaba antes que la escala.
Problema. Echas un cubito de 25 g (a 0 °C) en 250 mL de refresco a 25 °C. ¿A qué temperatura queda la bebida cuando el cubito desaparece?
Solución. El refresco tiene que pagar dos cosas: fundir el hielo (m·L = 0,025 × 334 000 = 8350 J) y luego calentar esos 25 g de agua de deshielo desde 0 hasta la temperatura final. Balance:
Resultado. Baja 9,5 grados con solo un décimo de su masa en hielo. Ahora repite la cuenta con 25 g de agua líquida a 0 °C en lugar del cubito: la bebida quedaría a 22,7 °C, apenas dos grados menos. Casi todo el poder refrigerante del hielo está en el calor latente, no en su frialdad. Ese es exactamente el motivo por el que se transporta pescado en hielo y no en agua fría, y por el que un cubito grande enfría igual pero dura más: la energía que absorbe depende de su masa, y la velocidad a la que la absorbe, de su superficie.
El aire acondicionado que llevas puesto
Tu cuerpo utiliza la meseta grande. En reposo disipas unos 100 W por radiación y convección y te apañas; corriendo, generas 700 W o más, y ningún mecanismo pasivo da abasto a 30 °C de ambiente. La solución evolutiva fue la evaporación: mojar la piel y dejar que cada gramo que se va se lleve unos 2430 J.
La cuenta es inmediata: 700 W ÷ 2 430 000 J/kg = 2,9×10⁻⁴ kg/s, o sea algo más de un litro por hora — el litro por hora que cualquier entrenador te dice que repongas, deducido aquí sin haber pisado un gimnasio. Y explica de paso por qué el calor húmedo es traicionero: si el aire ya está saturado, el sudor no se evapora, solo gotea, y el sistema de refrigeración se queda sin la única meseta que tenía. La humedad no es una molestia: en una ola de calor húmedo es la variable que mata.
Problema. ¿Por qué la olla a presión cuece en un tercio del tiempo, y por qué en la cima del Everest no hay manera de hacer un huevo duro?
Solución. Los 100 °C no tienen nada de sagrado: es la temperatura a la que la presión del vapor de agua iguala a la atmósfera que tiene encima, y esa atmósfera es negociable. La olla a presión trabaja a 2 bar absolutos, y a esa presión el agua no hierve hasta los 120 °C. En la cima del Everest la presión es de 0,31 bar y el agua hierve a 70 °C.
Resultado. Cocinar no es «hervir», es mantener el alimento a temperatura suficiente el tiempo suficiente, y las reacciones químicas se aceleran groseramente al doble por cada 10 grados. Los 20 grados extra de la olla dividen los tiempos por tres o cuatro. En el Everest ocurre lo contrario: por mucho que insistas, el agua no pasará de 70 °C — la clara del huevo cuaja a 63, pero la yema necesita 68-70, y las legumbres, sencillamente, no se hacen. Los alpinistas suben con ollas a presión. Y advertencia de seguridad que se sigue de todo esto: el contenido de una olla a presión está a 120 °C en fase líquida; abrirla de golpe hace que se evapore instantáneamente parte del agua, con lo que ya sabes que va detrás.
El mito del patinaje sobre hielo. Se repite en mil libros de texto: la cuchilla ejerce tanta presión que funde el hielo bajo ella y patinas sobre una película de agua. Comprobémoslo. La relación entre presión y punto de fusión del agua da −7,4×10⁻⁸ K por pascal (la deduciremos en II.6). Un patinador de 70 kg sobre una cuchilla de 1 mm × 20 cm ejerce 3,4 MPa, que es muchísimo. Multiplica: el punto de fusión baja 0,25 grados. Con eso no se patina a −10 °C, y sin embargo se patina estupendamente. La explicación real son dos cosas: el hielo tiene en su superficie una capa cuasi-líquida de unas pocas moléculas de espesor que existe hasta bien por debajo de cero (Faraday ya lo sospechó en 1859, y la ciencia de superficies lo confirmó en los años noventa), y el rozamiento del deslizamiento funde algo más. Es un caso ejemplar de una explicación elegante, memorable, citadísima… y falsa por un factor enorme. En este curso, cuando algo suene demasiado redondo, haremos la cuenta.
Ejercicios
Los agricultores valencianos riegan los naranjos por aspersión justo cuando se anuncia helada, mojando los frutos a propósito. Parece un suicidio. ¿Por qué funciona?
Solución
Porque el agua, al congelarse, suelta sus 334 kJ por kilo — el calor latente funciona en los dos sentidos. Mientras quede agua líquida congelándose sobre la naranja, la mezcla hielo-agua no puede bajar de 0 °C, y la naranja se queda ahí, protegida bajo una capa de hielo, aunque el aire esté a −5 °C. El fruto aguanta 0 °C; a −4 °C se le revientan las células. Es un termostato pasivo gratuito, y hay que mantener el riego toda la noche: en cuanto deja de llegar agua líquida, se acaba la fuente de calor. La misma física explica que las primeras heladas del otoño sean más suaves cerca de un lago grande y que en una bodega se metieran tradicionalmente cubos de agua para que el vino no se helara.
Estima la energía que hace falta para evaporar el agua de una piscina de 25 × 12,5 m que pierde 5 mm de altura en un día de verano, y compárala con lo que consume una vivienda. ¿De dónde sale esa energía?
Solución
Volumen perdido: 25 × 12,5 × 0,005 = 1,56 m³ = 1560 kg. A 2450 kJ/kg (el calor de vaporización a temperatura ambiente, algo mayor que a 100 °C) salen 3,8 GJ, o 1060 kWh: el consumo eléctrico de una vivienda española durante mes y medio. Y sale gratis, del Sol y del propio calor del agua — por eso la piscina se mantiene fresca y por eso la manta térmica flotante, que corta la evaporación, es con diferencia la medida más eficaz para no tener que calentarla. Extiende la cuenta al planeta: la evaporación oceánica es el mayor flujo de energía de la máquina climática, y cada tormenta que ves descargar está devolviendo, al condensar, ese calor latente que el Sol invirtió en el mar. Un huracán medio libera al condensar el equivalente a varios cientos de veces el consumo eléctrico mundial.
El hielo seco (CO₂ sólido) no se derrite: pasa directamente a gas a −78,5 °C. ¿Cómo se llama eso, por qué le ocurre, y qué habría que hacerle para conseguir CO₂ líquido?
Solución
Es sublimación, y le ocurre porque a presión atmosférica el CO₂ no tiene fase líquida estable: su punto triple está a 5,2 bar, muy por encima de nuestro 1 bar. Para tener CO₂ líquido hay que presurizarlo por encima de esos 5,2 bar — que es exactamente lo que hay dentro de un extintor rojo, y por eso al dispararlo sale una nieve carbónica: al despresurizarse bruscamente, parte se evapora y el resto se congela con el calor latente que la evaporación le roba. El agua también sublima, por cierto, aunque no lo parezca: es lo que hace que la ropa tendida acabe secándose en un día bajo cero, que la nieve desaparezca sin charcos en los días secos y soleados de alta montaña, y que la comida liofilizada exista. Todo esto se ordenará en el diagrama de fases del módulo I.5, y se pondrá cuantitativo en II.6.