La presión y el punto de ebullición
Lo que vas a aprender
- Explicar con el modelo de partículas por qué al aumentar la presión sube el punto de ebullición y al disminuirla baja.
- Leer una tabla presión–punto de ebullición y calcular diferencias de temperatura.
- Explicar cómo funcionan la olla a presión y su válvula reguladora.
- Explicar por qué en un lugar alto los alimentos tardan más en cocinarse en agua hirviendo.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
En la cocina de muchas casas hay una olla a presión: los fríjoles o la carne que en una olla común tardan horas, en ella se cocinan en mucho menos tiempo. Y quien ha vivido en un pueblo de montaña y en uno de la costa sabe que en la montaña el arroz y las papas tardan un poco más en ablandarse, aunque el agua hierva igual de fuerte.
Las dos cosas tienen la misma explicación: el punto de ebullición de un líquido depende de la presión que hay sobre él. En esta lección vas a ver por qué, y vas a leer tablas de datos para sacar conclusiones con números.
Antes de empezar necesitas las dos lecciones anteriores: qué es la ebullición y cómo se lee la meseta de una curva de calentamiento.
Explicación
El aire también empuja
Aunque no lo sientas, el aire empuja sobre todo lo que toca: sobre tu piel, sobre las paredes y sobre la superficie del agua de una olla. Ese empuje es la presión del aire. Al nivel del mar tienes encima una capa de aire muy gruesa, y la presión es mayor. En lo alto de una montaña la capa de aire que queda encima es más delgada, y la presión es menor. Una unidad de presión es la atmósfera (atm): una atmósfera es, más o menos, la presión del aire al nivel del mar.
Por qué la presión cambia el punto de ebullición
Recuerda que en la ebullición se forman burbujas de vapor dentro del líquido. Para que una burbuja crezca, el vapor que hay en ella tiene que empujar hacia afuera tan fuerte como lo empujan a ella: el líquido y el aire que hay encima.
Si la presión de encima es mayor, las partículas del vapor tienen que moverse más rápido para lograrlo, y eso pasa a una temperatura más alta: el punto de ebullición sube. Si la presión es menor, las burbujas se forman con menos esfuerzo, a una temperatura más baja: el punto de ebullición baja.
Al aumentar la presión, sube el punto de ebullición; al disminuirla, baja. Por eso un punto de ebullición siempre se dice con su presión: el agua pura hierve a $100\ \text{°C}$ al nivel del mar, es decir, a una atmósfera.
El punto de fusión también cambia con la presión, pero tan poquito que en la vida diaria no se nota. En esta lección nos quedamos con la ebullición.
Un líquido inventado y su tabla
Para ver la relación con números, los datos de esta lección son de un líquido inventado, que llamaremos L. En un laboratorio imaginario se le cambia la presión y se mide a qué temperatura hierve:
| Presión (atm) | 0,5 | 0,8 | 1 | 1,5 | 2 |
|---|---|---|---|---|---|
| Punto de ebullición de L (°C) | 52 | 63 | 70 | 82 | 91 |
Cuando la presión aumenta, el punto de ebullición también aumenta, como predice el modelo. Fíjate en que los saltos no son todos iguales: la relación no tiene que ser una línea recta para que sea cierta.
La olla a presión
Una olla común tiene la tapa suelta: el vapor sale y la presión adentro es la del aire de afuera. El agua hierve a su temperatura de siempre y, por más que subas la llama, no se pone más caliente.
La olla a presión tiene una tapa que cierra herméticamente. El vapor que se forma no puede salir, se acumula y aumenta la presión sobre el agua. Con más presión el agua hierve a una temperatura más alta que en la olla común, y los alimentos se cocinan más rápido porque están en agua y vapor más calientes.
La presión no puede subir sin límite: la olla se podría romper. Para eso está la válvula reguladora, que en muchas ollas es el pito o la pesita que va sobre la tapa. Cuando la presión adentro llega al valor para el que se fabricó la olla, la válvula se levanta y deja escapar vapor (es el silbido que se oye mientras se cocina). Así la presión deja de subir, el agua hierve a una temperatura fija y en la curva de calentamiento aparece la meseta. La olla trae además una válvula de seguridad, que es otra pieza: solo se abre si la reguladora se tapa, para que la olla no reviente.
La olla a presión la maneja siempre un adulto: el vapor que sale por la válvula quema, y la olla no se abre mientras tenga presión. En esta lección solo se estudia como ejemplo.
Cocinar en lo alto de una montaña
En una ciudad alta, como las de la cordillera, la presión del aire es menor y el agua pura hierve un poco antes de llegar a $100\ \text{°C}$. El agua hierve con burbujas, igual que en la costa, pero está menos caliente. Por eso un alimento que se cocina en agua hirviendo tarda un poco más en ablandarse. Como regla aproximada, el punto de ebullición del agua baja más o menos $1\ \text{°C}$ por cada $300\ \text{m}$ de altura; la vas a usar en las preguntas.
Punto de ebullición del líquido inventado L a cada presión, dibujado desde la tabla. Cada punto es una columna de la tabla; al aumentar la presión, el punto de ebullición sube.
Calienta el líquido L hasta 75 °C: a 1 atm ya hierve. Sube la presión a 1,5 atm y deja de hervir, porque ahora necesita 82 °C. Después baja a 55 °C y a 0,5 atm: hierve otra vez. Más presión, punto de ebullición más alto.
Ejemplo resuelto
Leer la tabla del líquido L
Con la tabla inventada del líquido L: a 1 atm hierve a 70 °C, a 1,5 atm a 82 °C y a 0,5 atm a 52 °C. ¿Cuántos grados sube su punto de ebullición al pasar de 1 atm a 1,5 atm, y cuántos baja al pasar de 1 atm a 0,5 atm?
Ver la solución paso a paso
Al subir la presión de 1 atm a 1,5 atm, el punto de ebullición pasa de $70\ \text{°C}$ a $82\ \text{°C}$. La diferencia es:
$$82 - 70 = 12$$
Al bajar la presión de 1 atm a 0,5 atm, pasa de $70\ \text{°C}$ a $52\ \text{°C}$. La diferencia es:
$$70 - 52 = 18$$
Con más presión, L necesita estar más caliente para hervir; con menos presión, hierve antes. Es lo que dice el modelo de las burbujas.
Respuesta: Sube 12 °C al pasar a 1,5 atm y baja 18 °C al pasar a 0,5 atm.
Ejemplo resuelto
El agua en una olla a presión
En un video de laboratorio, un adulto calienta agua en una olla a presión con un termómetro especial. Los datos son inventados: minuto 0, 20 °C; minuto 5, 50 °C; minuto 10, 80 °C; minuto 15, 110 °C, y en ese momento la válvula reguladora empieza a soltar vapor; minutos 20 y 25, 110 °C. ¿A qué ritmo se calentó el agua antes de la válvula, cuál es su punto de ebullición dentro de la olla y cuántos grados está por encima del de una olla común al nivel del mar?
Ver la solución paso a paso
Antes de que la válvula se active, el agua sube de $20\ \text{°C}$ a $110\ \text{°C}$ en 15 minutos. Su ritmo es:
$$\frac{110 - 20}{15 - 0}$$
Dividimos:
$$6$$
Desde el minuto 15 la válvula deja salir vapor, la presión ya no sube y la temperatura se queda en $110\ \text{°C}$: esa meseta es el punto de ebullición del agua dentro de esta olla.
En una olla común al nivel del mar el agua hierve a $100\ \text{°C}$. La diferencia es:
$$110 - 100 = 10$$
Fíjate en que en la olla el agua pasó de $100\ \text{°C}$ sin hervir: la presión del vapor encerrado no la dejaba formar burbujas. Ese es el truco de la olla a presión.
Respuesta: Subió 6 °C por minuto; dentro de la olla hierve a 110 °C, 10 °C más que en una olla común al nivel del mar.
Ejemplo resuelto
El pueblo de la montaña
En un pueblo inventado de montaña, Alto de las Nubes, el agua pura hierve a 94 °C (dato inventado). ¿Cuántos grados antes que al nivel del mar hierve, y por qué?
Ver la solución paso a paso
Al nivel del mar el agua pura hierve a $100\ \text{°C}$. La diferencia con el pueblo es:
$$100 - 94 = 6$$
En lo alto hay menos aire encima y la presión es menor. Con menos presión sobre el agua, las burbujas de vapor se forman a una temperatura más baja.
El agua del pueblo hierve con burbujas, pero está más fría que la de la costa. Por eso las papas tardan un poco más en cocinarse allá.
Respuesta: Hierve 6 °C antes, a 94 °C, porque en lo alto la presión del aire es menor.
Práctica
En la tabla del líquido L, ¿cuántos grados Celsius más alto es su punto de ebullición a 2 atm (91 °C) que a 1 atm (70 °C)?
91 − 70 = 21 °C. Con el doble de presión, L tiene que estar 21 °C más caliente para hervir.
En la tabla del líquido L, ¿cuántos grados Celsius más alto es su punto de ebullición a 2 atm (91 °C) que a 0,5 atm (52 °C)?
91 − 52 = 39 °C. Entre la presión más baja y la más alta de la tabla, el punto de ebullición cambia 39 °C.
Al bajar la presión sobre el líquido L de 1 atm a 0,8 atm, su punto de ebullición pasa de 70 °C a 63 °C. ¿Cuántos grados Celsius baja?
70 − 63 = 7 °C. 18 °C es lo que baja si la presión llega a 0,5 atm; 0,2 es la diferencia de presiones, en atm, no de temperaturas; y 63 °C es el punto de ebullición, no lo que baja.
¿Verdadero o falso? En la tabla del líquido L, cada vez que la presión aumenta, el punto de ebullición también aumenta.
Leídos de la menor a la mayor presión, los puntos de ebullición son 52, 63, 70, 82 y 91 °C: siempre suben. Es lo que predice el modelo: con más presión encima, cuesta más formar burbujas.
En la tabla del líquido L, ¿a qué presión, en atm, hierve a 82 °C?
En la tabla, debajo de 1,5 atm está el punto de ebullición 82 °C. A 1 atm hierve a 70 °C y a 2 atm a 91 °C.
Un pueblo inventado de páramo está a 3000 m de altura. Si el punto de ebullición del agua baja más o menos 1 °C por cada 300 m de altura, ¿a qué temperatura hierve allí el agua pura, en °C?
3000 ÷ 300 = 10: hierve unos 10 °C antes que al nivel del mar, a unos 100 − 10 = 90 °C, porque en lo alto la presión del aire es menor.
En la olla a presión del ejemplo (datos inventados), el agua se quedaba en 110 °C mientras la válvula soltaba vapor. ¿Cuántos grados Celsius más caliente estaba que el agua del pueblo de páramo de la pregunta anterior, que hierve a unos 90 °C?
110 − 90 = 20 °C. Las dos están hirviendo, pero a temperaturas muy distintas, porque la presión sobre el agua es muy distinta.
En otra prueba inventada con la olla a presión, el agua pasa de 25 °C a 115 °C en 18 minutos, antes de que la válvula se active. ¿A qué ritmo se calienta, en °C por minuto?
Sube 115 − 25 = 90 °C en 18 minutos: 90 ÷ 18 = 5 °C por minuto.
¿Por qué los fríjoles se cocinan más rápido en una olla a presión que en una olla común?
Con la tapa cerrada el vapor no sale y la presión sube. Con más presión, el punto de ebullición sube: el agua y el vapor están más calientes que en una olla común, y la comida se cocina antes.
¿Para qué sirve la válvula reguladora (el pito) de la olla a presión?
La válvula es una salida para el vapor: cuando la presión llega al valor de fábrica, se abre, y la presión deja de subir. Si esa válvula se tapa, se abre la válvula de seguridad, que es otra pieza. El silbido no quiere decir que la olla se pueda abrir: eso lo decide un adulto, cuando ya no tiene presión.
Reto
Completa el informe del líquido L.
Usa la tabla inventada del líquido L. Elige el número que completa cada espacio.
Reto
Une cada cuenta con su resultado en grados.
Son diferencias de puntos de ebullición de esta lección, en °C. Todos los datos son inventados, menos los 100 °C del agua al nivel del mar.
Reto
El crucigrama de la presión.
Lee cada pista y escribe la palabra. No lleva tildes.
Cierre
En resumen
El aire empuja sobre la superficie de los líquidos; esa es la presión del aire, y es menor en los lugares altos.
Al aumentar la presión sube el punto de ebullición, y al disminuirla baja, porque cambia lo que le cuesta al vapor formar burbujas.
El agua pura hierve a 100 °C al nivel del mar; en una ciudad alta hierve un poco antes y los alimentos tardan más en cocinarse.
En la olla a presión el vapor encerrado sube la presión y el agua hierve a más temperatura; la válvula reguladora (el pito) no deja que la presión pase de un límite.
Un punto de ebullición se dice siempre con su presión.
Vocabulario
- Presión
Qué tan fuerte empuja algo sobre una superficie. El aire que nos rodea empuja sobre todo lo que toca, también sobre la superficie de los líquidos.
- Atmósfera (atm)
Unidad de presión. Una atmósfera es, más o menos, la presión del aire al nivel del mar.
- Punto de ebullición
Temperatura a la que un líquido hierve. No es fijo para siempre: depende de la presión que hay sobre el líquido.
- Válvula reguladora
Pieza de la olla a presión (en muchas ollas, el pito) que deja salir vapor cuando la presión adentro llega al valor de fábrica, para que no siga subiendo. La olla trae además una válvula de seguridad, que solo se abre si la reguladora se tapa.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Pregunte quién ha cocinado en un lugar frío y alto o en la costa, y si notaron diferencias. Pregunte qué es el silbido de la olla a presión.
- Explicación · 15 min — Explique la presión del aire y el modelo de las burbujas. Lea con el grupo la tabla del líquido L y resuelva en el tablero el ejemplo de la olla a presión.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas. Los huecos y el dominó se pueden proyectar y resolver en grupo; el crucigrama queda para quienes terminen primero.
- Cierre · 5 min — Pida que expliquen en una frase, con la palabra «presión», por qué la olla a presión cocina más rápido.
Preguntas para el salón
- Si en lo alto el agua hierve antes, ¿no debería cocinar más rápido? ¿Por qué no?
- ¿Qué pasaría con la temperatura del agua en una olla a presión si la válvula no dejara salir nada?
- ¿Por qué decimos que el agua hierve a 100 °C «al nivel del mar» y no solo «a 100 °C»?
Errores típicos
- Creer que hervir antes significa cocinar más rápido. Pregunte qué cocina más rápido, un agua a 94 °C o una a 100 °C, aunque las dos estén hirviendo.
- Creer que el punto de ebullición de una sustancia es un número fijo, sin importar la presión. Muestre la tabla de L y pida que digan a qué temperatura hierve sin decir la presión: no se puede.
- Pensar que la olla a presión funciona porque calienta más fuerte. Recuerde que una olla común no pasa de su punto de ebullición aunque se suba la llama; lo que cambia en la olla a presión es la presión.
- Creer que el silbido de la válvula indica que ya se puede abrir la olla. Aclare que la válvula suelta vapor porque hay mucha presión adentro, y que la olla solo la abre un adulto cuando ya no tiene presión.
Tarea sugerida
Preguntar en la casa si usan olla a presión y para qué alimentos, y escribir con sus palabras por qué esos alimentos se cocinan más rápido en ella. La olla no se manipula: solo se pregunta y se observa a distancia, con un adulto.