Echándole sal al hielo

En este comienzo de año 2010 de tan copiosas nevadas, las autoridades de tráfico nos informan de que tienen preparadas toneladas de sal para verterlas, si fuera menester, sobre el hielo de nuestras carreteras y dejar éstas expeditas.
Fue Joseph Black (Burdeos; 16 de abril de 1728 – Edimburgo; 10 de noviembre de 1799) (Fig. 1), un científico escocés, el primero en darse cuenta –o, al menos, el primero en publicarlo– de que al añadir sal común (cloruro sódico, mayoritariamente) al hielo, éste fundía dejando tras de sí agua salada a varios grados bajo cero. Black introdujo el concepto de ‘calor específico’ o energía necesaria para variar en 1 grado Celsius la temperatura de 1 gramo de una sustancia. A Black le sorprendió que cuando ponía hielo a calentar éste no variaba su temperatura mientras se fundía. Para explicar este fenómeno, introdujo el concepto de ‘calor latente’, o energía escondida. Para medir el calor latente del hielo Black realizó distintas experiencias mezclando agua líquida a alta temperatura con hielo. Comprobó Black que cuando mezclaba una masa dada de agua a 80 grados Celsius con la misma masa de hielo fundente, es decir, a 0 grados Celsius, el resultado final era que todo el hielo se licuaba y que el agua líquida que restaba se encontraba, exactamente, a 0 grados Celsius. A partir de este resultado experimental, Black dedujo que el calor latente de fusión del hielo era de 80 veces al calor específico del agua.

Después de haber descubierto que se necesitan nada menos que 336 joules de energía para fundir un gramo de hielo y transformarlo en agua líquida, Black relata que descubrió que al añadirle sal al mismo hielo fundente se podía conseguir también que éste fundiese, alcanzando al agua líquida obtenida, eso sí, temperaturas bastante por debajo de los 0 grados Celsius de partida. Comentando que cualquier persona con unos mínimos conocimientos sabría explicar la razón de este comportamiento, el bueno de Black no dio mayor importancia a su descubrimiento ni se sorprendió demasiado del poco intuitivo hecho de que mezclando dos cuerpos a alta temperatura se obtenga otro a menor temperatura, comportamiento que muy pocas veces se observa. La verdad es que se necesitaron más de cien años de estudios hasta que Josiah Willard Gibbs (11 de febrero, 1839 en New Haven: Connecticut, Estados Unidos – íd.28 de abril 1903) (Fig. 2) diera con la explicación del fenómeno.

¿De donde proviene la energía que, necesariamente, se necesita para fundir el hielo y convertirlo en agua? ¿ Y cómo es que fundir hielo cuesta tanto esfuerzo y al añadirle sal el proceso de fusión del mismo es espontáneo? Si en un recipiente cerrado, como un matraz cerrado con un tapón, se colocan varios cubitos de hielo y se añade suficiente sal, al cabo de una buen rato de agitación se podrá obtener una mezcla de hielo sin fundir, agua salada, sal en exceso, todo el conjunto a unos buenos -21 grados Celsius, 21 grados bajo cero. Por más que se agite, no se conseguirá que la temperatura descienda más. La Regla de las Fases de Gibbs nos dice que hay una única temperatura a la que todos esos componentes pueden coexistir en equilibrio y la experiencia nos dice que esa temperatura es la referida.
Si el matraz que agitamos está aislado del resto del mundo, nada de energía entra en él o lo abandona. La energía necesaria para fundir el hielo proviene de la energía que libera el agua líquida al enfriarse desde los 0 grados Celsius que tiene cuando el hielo funde hasta los -21 grados Celsius finales. Algo de energía proviene también del hielo que se enfría.
Lo que se necesita para explicar que el agua prefiera estar salada y a muy baja temperatura en vez de sólida y a alta temperatura no es sólo la energía –que ni se crea ni se destruye, pero se traslada–, sino un concepto más sutil: la entropía. El agua pura líquida por debajo de los 0 grados Celsius prefiere solidificar, cediendo 336 joules por gramo solidificado, a permanecer líquida. El orden alcanzado por la estructura cristalina del hielo (disminución de la entropía del hielo) se compensa con el desorden producido por todo ese calor cedido a sus alrededores (aumento de la entropía del entorno). Por encima de los 0 grados Celsius el hielo prefiere pasar a líquido, pues el desorden que consigue fundiendo (aumento de la entropía del agua) compensa el orden que supone tomar calor del entorno (disminución de entropía). Exactamente a 0 grados Celsius agua pura y hielo coexisten.
Buscando siempre el aumento neto de la entropía del conjunto agua más su entorno (Segundo Principio de la Termodinámica), en cuanto hay sal por medio, la naturaleza hace sus cuentas y determina que la entropía del conjunto aumenta si el hielo funde y el agua salada disminuye su temperatura, algo que con agua pura no se lograría. El desorden producido por la fusión del hielo (aumento de la entropía) compensa el orden (disminución de la entropía) debido a la disminución de la temperatura del agua salada. La entropía del conjunto aumenta hasta que se alcanzan los -21 grados Celsius, temperatura a la cual ya no resulta favorable seguir fundiendo hielo si se ha de disminuir todavía más la temperatura del agua. La explicación de Gibbs a este proceso es más elegante (Principio de Mínimo de la Función de Gibbs), pero es esencialmente la anterior (J. Güémez, C. Fiolhais, M. Fiolhais, Reproducing Black’s experiments: freezing point depression and supercooling of water. European Journal of Physics, 23, 83-91, (2002), en http://www.loreto.unican.es/ACurriculum/EJPBlackExperimen.pdf).
La mezcla de hielo y sal se ha conocido durante siglos como ‘mezcla frigorífica’ y ha sido utilizada para fabricar helados. En un arca de madera, mala conductora del calor, se vierten el hielo y la sal abundantes. En un hueco en medio del hielo se coloca un recipiente metálico, buen conductor del calor, y en él se coloca la leche, la mantequilla, los colorantes y sabores del helado que se quiera fabricar. Después de remover una tiempo, la mezcla congela y se forma un cremoso helado.
Además de la sal, el alcohol, etílico o metílico, también funciona muy bien para fundir el hielo, algo que sin duda ya conocen muchos conductores que quieren quitar sin esfuerzo el hielo del parabrisas de su coche en las mañanas heladas –y algo que también podrían saber aquellos que fueran provistos de termómetros en sus correrías etílicas nocturnas–.
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El Diario Montañes

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