"Una olla vigilada nunca hierve" puede parecer la máxima obviedad al cocinar, pero en las circunstancias adecuadas, la olla hierve incluso más rápido de lo esperado. Ya sea de campamento o de química, predecir el punto de ebullición puede ser un desafío.
TL; DR (demasiado largo; No leí)
La determinación del punto de ebullición en función de la presión se puede lograr mediante ecuaciones, estimaciones, nomografías, calculadoras en línea, tablas y gráficos.
Entendiendo el punto de ebullición
La ebullición ocurre cuando la presión de vapor de un líquido es igual a la presión del aire de la atmósfera sobre el líquido. Por ejemplo, al nivel del mar, el agua hierve a 212 ° F (100 ° C). A medida que aumenta la elevación, la cantidad de atmósfera sobre el líquido disminuye, por lo que la temperatura de ebullición del líquido disminuye. En general, cuanto menor es la presión atmosférica, menor es la temperatura de ebullición de cualquier líquido. Además de la presión atmosférica, la estructura molecular y la atracción entre las moléculas del líquido impactan en el punto de ebullición. Los líquidos con enlaces intermoleculares débiles hierven, en general, a temperaturas más bajas que los líquidos con enlaces intermoleculares fuertes.
Calcular el punto de ebullición
El cálculo del punto de ebullición basado en la presión se puede hacer usando varias fórmulas diferentes. Estas fórmulas varían en complejidad y precisión. En general, las unidades en estos cálculos estarán en el sistema métrico o System International (SI), lo que da como resultado temperaturas en grados Celsius (oC). Para convertir a Fahrenheit (oF), use la conversión:
T (^ oF) = \ frac {9} {5} T (^ oC) +32
donde T significa temperatura. En cuanto a la presión atmosférica, las unidades de presión se anulan, por lo que las unidades que se utilizan, ya sean mmHg, bares, psi u otra unidad, es menos importante que estar seguro de que todas las medidas de presión son las mismas unidades.
Una fórmula para calcular el punto de ebullición del agua utiliza el punto de ebullición conocido al nivel del mar, 100 ° C, el la presión atmosférica al nivel del mar y la presión atmosférica en el momento y la altura donde se produce la ebullición lugar.
En elevaciones más altas, el punto de ebullición más bajo del agua requiere cocinar los alimentos durante más tiempo para garantizar temperaturas internas adecuadas. Por seguridad, use un termómetro para carne para verificar las temperaturas.
La formula:
BP_ {corr} = BP_ {obs} - (P_ {obs} -760 \ text {mmHg}) \ times 0.045 ^ o \ text {C / mmHg}
se puede utilizar para encontrar una temperatura de ebullición desconocida para el agua.
En esta fórmula, BPcorr significa el punto de ebullición al nivel del mar, BPobs es la temperatura desconocida y Pobs significa la presión atmosférica en el lugar. El valor 760 mmHg es la presión atmosférica estándar en milímetros de mercurio al nivel del mar y 0,045oC / mmHg es el cambio aproximado en la temperatura del agua con cada milímetro de cambio de mercurio en la presión.
Si la presión atmosférica es igual a 600 mmHg y se desconoce el punto de ebullición a esa presión, la ecuación se convierte en
100 ° \ text {C} = BP_ {obs} - (600 \ text {mmHg} -760 \ text {mmHg}) \ times 0.045 ° \ text {C / mmHg}
El cálculo de la ecuación da:
100 ° \ text {C} = BP_ {obs} - (- 160 \ text {mmHg}) \ times 0.045 ° \ text {C / mmHg} = BP_ {obs} +7.2
Las unidades de mmHg se anulan entre sí, dejando las unidades como grados Celsius. Resuelto para el punto de ebullición a 600 mmHg, la ecuación se convierte en:
BP_ {obs} = 100 ° \ text {C} -7.2 ° \ text {C} = 92.8 ° \ text {C}
Entonces, el punto de ebullición del agua a 600 mmHg, una altitud de aproximadamente 6400 pies sobre el nivel del mar, será de 92,8 ° C, o:
92,8 \ veces \ frac {9} {5} + 32 = 199 ° \ text {F}
Advertencias
Ecuaciones para calcular el punto de ebullición
La ecuación detallada anteriormente usa una relación conocida de presión y temperatura con un cambio conocido de temperatura con cambio de presión. Otros métodos para calcular los puntos de ebullición de líquidos basados en la presión atmosférica, como la ecuación de Clausius-Clapeyron:
\ ln {\ frac {P_1} {P_2}} = - \ frac {L} {R} \ times (\ frac {1} {T_1} - \ frac {1} {T_2})
incorporar factores adicionales. En la ecuación de Clausius-Clapeyron, por ejemplo, la ecuación incorpora el logaritmo natural (ln) de la presión dividida por la presión final, el calor latente (L) del material y la constante universal de gas (R). El calor latente se relaciona con la atracción entre moléculas, una propiedad del material que influye en la velocidad de vaporización. Los materiales con mayores calores latentes requieren más energía para hervir porque las moléculas tienen una atracción más fuerte entre sí.
Estimación del punto de ebullición
En general, se puede hacer una aproximación de la caída del punto de ebullición del agua en función de la altitud. Por cada 500 pies de aumento de altitud, el punto de ebullición del agua desciende alrededor de 0,9 ° F.
Determinación del punto de ebullición mediante nomógrafos
También se puede utilizar un nomógrafo para estimar los puntos de ebullición de los líquidos. Los nomógrafos utilizan tres escalas para predecir el punto de ebullición. Un nomógrafo muestra una escala de temperatura del punto de ebullición, una temperatura del punto de ebullición a la escala de presión al nivel del mar y una escala de presión general.
Para usar el nomógrafo, conecte dos valores conocidos usando una regla y lea el valor desconocido en la tercera escala. Comience con uno de los valores conocidos. Por ejemplo, si se conoce el punto de ebullición al nivel del mar y se conoce la presión barométrica, conecte esos dos puntos con una regla. Al extender la línea de los dos valores conocidos conectados, se muestra cuál debería ser la temperatura del punto de ebullición a esa altura. Por el contrario, si se conoce la temperatura del punto de ebullición y se conoce el punto de ebullición al nivel del mar, use una regla para conectar los dos puntos, extendiendo la línea para encontrar la presión barométrica.
Usar calculadoras en línea
Varias calculadoras en línea proporcionan temperaturas de punto de ebullición a diferentes alturas. Muchas de estas calculadoras solo muestran la relación entre la presión atmosférica y el punto de ebullición del agua, pero otras muestran compuestos comunes adicionales.
Usar gráficos y tablas
Se han desarrollado gráficos y tablas de puntos de ebullición de muchos líquidos. En el caso de las tablas, se muestra el punto de ebullición del líquido para diferentes presiones atmosféricas. En algunos casos, la tabla solo muestra un líquido y el punto de ebullición a varias presiones. En otros casos, se pueden mostrar varios líquidos a diferentes presiones.
Los gráficos muestran curvas de punto de ebullición basadas en temperatura y presión barométrica. Los gráficos, como el nomógrafo, usan valores conocidos para crear una curva o, como con la ecuación de Clausius-Clapeyron, usan el logaritmo natural de la presión para desarrollar una línea recta. La línea graficada muestra las relaciones conocidas del punto de ebullición, dado un conjunto de valores de presión y temperatura. Conociendo un valor, siga la línea de valor hasta la línea de presión-temperatura graficada, luego gire al otro eje para determinar el valor desconocido.