¿Alguna vez has echado unas gotas de agua en una sartén caliente? Si la sartén está moderadamente caliente, las gotas chisporrotean y enseguida desaparecen. Pero si calientas mucho más la sartén, ocurre algo extraño. Las gotas se redondean como canicas, ruedan por la sartén como si se deslizaran y duran mucho más de lo que cabría esperar. Así, sobre una superficie más caliente, tardan más en evaporarse.
Este fenómeno se conoce como «efecto Leidenfrost» (Leidenfrost Effect). Cuando un líquido entra en contacto con una superficie mucho más caliente que su punto de ebullición, su parte inferior se vaporiza al instante y forma una fina capa de vapor sobre la que se eleva el líquido. El fenómeno lleva el nombre del médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost, que lo describió en detalle en 1756 en un tratado sobre las propiedades del agua.
En este artículo veremos paso a paso por qué flotan las gotas, cuáles son las distintas etapas de la ebullición, cómo se observa el fenómeno en la cocina y en el laboratorio y qué importancia tiene en la industria.
Principio y aplicaciones del efecto Leidenfrost
Gotas de agua suspendidas sobre un cojín de vapor
Cuando una gota de agua toca una superficie muy caliente, la parte que entra en contacto con ella se evapora al instante. El vapor de agua que se forma no alcanza a escapar y crea una fina película entre la gota y la superficie. Esta película de vapor tiene un espesor de alrededor de 0.1 mm. Es muy fina, pero basta para levantar la gota. La gota queda como si estuviera sentada sobre un cojín de vapor que se renueva continuamente.
La clave de que la gota dure tanto está en esa película. El vapor de agua transmite el calor mucho más despacio que el agua líquida o el metal. Como la gota y la superficie caliente no están en contacto directo, el calor se transmite lentamente a través de la película de vapor, lo que también ralentiza la evaporación. Por eso, una gota que desaparece en unos segundos en una sartén moderadamente caliente puede durar desde varias decenas de segundos hasta más de 1 minuto en una sartén mucho más caliente.
La gota suspendida sobre la película de vapor apenas experimenta fricción con la superficie. Se desliza con facilidad ante una leve inclinación o una pequeña corriente de aire y, al rodar de un lado a otro, recuerda a un disco de hockey de aire. Las gotas pequeñas conservan una forma casi esférica gracias a la tensión superficial, pero cuanto más grandes son, más se aplanan por su propio peso. El vapor atrapado debajo puede incluso abrirse paso por el centro de la gota y ascender.
Las cuatro etapas de la ebullición
El efecto Leidenfrost está relacionado con el hecho de que la forma en que hierve un líquido depende de la temperatura de la superficie. Al aumentar poco a poco la temperatura de la superficie, la ebullición suele pasar por las siguientes etapas.
(1) Convección natural (Natural Convection)
Si la temperatura de la superficie apenas supera el punto de ebullición, casi no se forman burbujas y el agua caliente asciende y transporta calor.
(2) Ebullición nucleada (Nucleate Boiling)
Cuando la temperatura sube más, en las pequeñas cavidades de la superficie se forman burbujas que ascienden una tras otra. Las burbujas agitan el agua, y en esta etapa la transferencia de calor alcanza su máximo.
(3) Ebullición de transición (Transition Boiling)
Cuando se forman demasiadas burbujas, estas se unen y el vapor empieza a cubrir parte de la superficie. Aunque la temperatura sigue subiendo, la transferencia de calor disminuye.
(4) Ebullición en película (Film Boiling)
En esta etapa, una película estable de vapor cubre toda la superficie. La temperatura a la que comienza la ebullición en película se denomina «punto de Leidenfrost» (Leidenfrost Point) y, en el caso del agua, suele rondar los 200 °C.
Lo que vemos cuando el agua burbujea en una tetera suele ser ebullición nucleada. Las gotas que chisporrotean y desaparecen rápidamente en una sartén también están en esa etapa. Cuando ruedan como canicas, han entrado en la etapa de ebullición en película.
El punto de Leidenfrost varía según el material y la rugosidad de la superficie, el tipo de líquido y la presión. Cuanto más lisa es la superficie, más uniforme se forma la película de vapor y más fácilmente pueden quedar suspendidas las gotas incluso a temperaturas más bajas.
Ejemplos en la cocina y en el laboratorio
El efecto Leidenfrost puede observarse en lugares más cercanos de lo que parece.
- Comprobación de la temperatura de la sartén (Water Drop Test). Si al echar agua en una sartén de acero inoxidable las gotas se redondean como canicas y ruedan por la superficie, se toma como señal de que la sartén está lo bastante caliente.
- Nitrógeno líquido (Liquid Nitrogen). El nitrógeno líquido hierve a unos 196 °C bajo cero, de modo que hasta un suelo a temperatura ambiente es una superficie muy caliente para este líquido. El mismo principio explica que el nitrógeno líquido ruede por el suelo al derramarse.
- Gotas que se mueven por sí solas (Leidenfrost Ratchet). En 2006, un equipo de la Universidad de Oregón, en Estados Unidos, describió cómo las gotas se desplazaban por sí solas en una dirección sobre una superficie caliente tallada en forma de dientes de sierra. Esto ocurre porque el vapor escapa hacia un lado siguiendo la pendiente de los dientes y empuja las gotas.
La película de vapor actúa como barrera protectora frente al calor durante un breve instante. Es muy peligroso confiar en este fenómeno para tocar un objeto caliente con la mano.
Las dos caras del efecto en la industria
En la industria, el efecto Leidenfrost suele ser indeseable. En el temple (Quenching), que consiste en sumergir metal caliente en agua para endurecerlo, si se forma una película de vapor sobre el metal, este puede enfriarse más despacio y de manera desigual, lo que puede reducir su calidad. En instalaciones como las centrales eléctricas y los reactores nucleares, donde se utiliza agua hirviendo para extraer calor, la ebullición en película reduce considerablemente la capacidad de refrigeración. Por eso se incorpora un margen en el diseño para evitar que se produzca.
Por eso, los científicos han estudiado superficies que impiden que se forme la película de vapor. Si se graban estructuras de micropilares o de orificios en la superficie, el vapor encuentra una vía de escape y la película se forma con menos facilidad. En 2022, un equipo de investigación de Hong Kong publicó en la revista Nature un estudio en el que utilizó estas estructuras para que las gotas de agua tocaran la superficie y extrajeran calor incluso a temperaturas superiores a 1,000 °C.
También hay intentos de aprovechar deliberadamente la película de vapor. Se investiga cómo aprovechar el deslizamiento sin fricción para mover líquidos en la dirección deseada y cómo manipular materiales sin contacto.
Ir más allá de la idea habitual de que cuanto mayor es la temperatura, más rápido hierve un líquido es el primer paso para comprender las reglas que rigen la interacción entre el calor y la materia.
