¿Alguna vez has visto un video en el que, en un frío día de invierno, alguien recoge una botella de agua que había dejado en el balcón y, en cuanto la abre, el agua se convierte en hielo blanco en cuestión de segundos? Aunque la temperatura estaba bajo cero, el agua seguía líquida y bastó una pequeña sacudida para que se congelara de golpe.
Aprendemos que el agua se congela a 0 °C, pero a veces puede enfriarse por debajo de 0 °C sin congelarse de inmediato. Se llama «sobreenfriamiento (Supercooling)» al fenómeno por el cual un líquido se enfría por debajo de su punto de congelación y permanece en estado líquido sin solidificarse.
En este artículo veremos qué es el sobreenfriamiento, por qué ocurre, cómo se manifiesta en la naturaleza y en la vida cotidiana, y qué conviene tener en cuenta al trabajar con él.
Cómo funciona el sobreenfriamiento
Líquidos que siguen sin congelarse por debajo de su punto de congelación
El sobreenfriamiento ocurre cuando una sustancia conserva su estado original aun después de bajar de la temperatura a la que debería cambiar de estado. En el caso del agua, esto significa que puede seguir líquida por debajo de 0 °C sin convertirse en hielo. En ese estado se la llama «agua sobreenfriada».
A simple vista, un líquido sobreenfriado tiene el mismo aspecto que el agua corriente, pero se encuentra en un estado muy inestable. Como una pelota que apenas se mantiene quieta en una pendiente, basta un pequeño estímulo para que pase de golpe a un estado más estable, el del hielo. Por eso, si se agita la botella o se añade un trozo de hielo, los cristales de hielo se propagan en un instante.
El sobreenfriamiento también se observa en metales, en materiales empleados para fabricar vidrio y en diversas soluciones. Es un tema de investigación importante en química e ingeniería de materiales.
Se considera que el científico de origen alemán Daniel Gabriel Fahrenheit, conocido por su escala de temperatura, fue el primero en documentar el sobreenfriamiento. En 1724 informó que había observado cómo el agua en un recipiente de vidrio del que se había extraído el aire seguía líquida al enfriarse por debajo de su punto de congelación y se congelaba de inmediato al agitar el recipiente. Esta observación quedó como uno de los primeros registros de que el momento en que se congela el agua depende de algo más que la temperatura.
¿Por qué no se congela de inmediato?
El sobreenfriamiento se produce porque, para solidificarse, un líquido necesita primero una «semilla».
(1) Hace falta un núcleo cristalino para que el agua se congele
Para que el agua se congele, primero deben agruparse unas cuantas moléculas de agua en una pequeña estructura con la disposición ordenada propia del hielo. Esta agrupación se llama núcleo cristalino y el proceso por el que se forma se denomina nucleación (Nucleation). Si el núcleo es demasiado pequeño, sus moléculas vuelven a dispersarse enseguida. El hielo solo puede propagarse cuando el núcleo alcanza un tamaño mínimo.
(2) Las impurezas y las superficies actúan como semillas
En condiciones normales, el polvo, las pequeñas burbujas de aire y las zonas rugosas del recipiente proporcionan lugares donde los núcleos cristalinos se forman con facilidad. Si se deja enfriar agua limpia en reposo dentro de un recipiente liso, hay pocos lugares que puedan servir de semilla y el sobreenfriamiento se produce con facilidad.
(3) El agua pura puede seguir líquida a temperaturas mucho más bajas
Las gotas de agua muy pequeñas y casi libres de impurezas pueden permanecer líquidas incluso por debajo de los 30 °C bajo cero. Se sabe que solo se congelan espontáneamente al alcanzar temperaturas de entre 38 y 40 °C bajo cero, aproximadamente.
El sobreenfriamiento en la naturaleza y en la vida cotidiana
El sobreenfriamiento ocurre con frecuencia en lugares más cercanos de lo que imaginamos.
- Nubes (Cloud). Incluso en las nubes a temperaturas bajo cero hay muchas gotas de agua sobreenfriada que siguen líquidas. Si un avión atraviesa una de estas nubes, las gotas pueden congelarse en cuanto tocan las alas y provocar engelamiento.
- Lluvia engelante (Freezing Rain). A gran altura, la precipitación se derrite y se convierte en lluvia. Al atravesar una capa de aire bajo cero cerca de la superficie, las gotas se sobreenfrían y siguen cayendo en estado líquido hasta que, al tocar el suelo o las ramas de los árboles, se congelan y forman una capa de hielo transparente. Así también pueden formarse placas de hielo peligrosas en las carreteras.
- Bebida granizada (Slush Drink). Si se saca del congelador una bebida sobreenfriada y se agita o se vierte, se forman al instante pequeños cristales de hielo. Hay quien lo hace por diversión.
También hay objetos que aprovechan un principio parecido. Los calentadores de manos con disco metálico utilizan una solución de acetato de sodio que permanece líquida por debajo de la temperatura a la que debería solidificarse. Al flexionar el disco metálico que llevan dentro, empiezan a formarse cristales y la solución libera calor al solidificarse, lo que permite calentar las manos.
Qué conviene tener en cuenta al trabajar con el sobreenfriamiento
El sobreenfriamiento también tiene aplicaciones tecnológicas. En el sector alimentario se sigue investigando cómo conservar los alimentos frescos durante más tiempo manteniéndolos a una temperatura ligeramente inferior a su punto de congelación sin que lleguen a congelarse. Como no se forman cristales de hielo, las células sufren menos daños.
Conviene recordar que el estado de sobreenfriamiento puede perderse en cualquier momento. Una pequeña vibración o un cambio de temperatura puede bastar para que el líquido se congele de golpe, por lo que los dispositivos que aprovechan el sobreenfriamiento deben controlar la temperatura con precisión. Cuando se pronostica lluvia engelante, las vías pueden estar heladas aunque parezcan mojadas, así que conviene extremar la precaución al conducir y al caminar.
El sobreenfriamiento también muestra que la idea de que «el agua siempre se congela al llegar a 0 °C» no se cumple en todos los casos. Una lección importante del sobreenfriamiento es que, para que se produzca un cambio de estado, además de la temperatura adecuada hace falta algo que desencadene el cambio.
El sobreenfriamiento es un fenómeno sorprendente en el que una sustancia sigue líquida una vez rebasado su punto de congelación. Conocerlo permite ver con otros ojos las nubes del cielo invernal, las vías heladas, las bebidas del congelador y hasta los calentadores de manos.
Saber que un cambio requiere tanto las condiciones adecuadas como algo que lo desencadene es el primer paso para comprender a fondo, desde la ciencia, cómo se transforma la materia.
