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\title{\Large{Efecto Leidenfrost en agua}}

{\textbf{Efecto Leidenfrost en agua}}\\

Carlos Tapia$^1$ and Juan P.G. Villaluenga$^2$\\

$^{1}$ Departamento de Física de la Tierra, Astronomía y Astrofísica II,  Universidad Complutense de Madrid - 28040 Madrid, e-mail: carloseugeniotapia@ucm.es \\

$^{2}$ Departamento de Física Aplicada I, Universidad Complutense de Madrid - 28040 Madrid, e-mail: jpgarcia@ucm.es\\

\begin{abstract}
Este trabajo presenta un experimento de física básica donde se muestran los distintos tipos de ebullición del agua a diferentes temperaturas de una forma muy sencilla, y fácilmente realizable en un laboratorio medio. El estudio se ha centrado en el efecto Leidenfrost que se produce cuando la temperatura de la placa donde se deposita el agua supera los $193^\circ$C. Este efecto está dominado por la formación de un colchón de vapor que suspende el agua y evita que se produzca una evaporación instantánea. El experimento se ha grabado en alta definición y se ha dejado en la red como recurso educativo.\\

This paper presents a basic physics experiment, in which different types of boiling water are shown at different temperatures. The study is focused on the Leidenfrost effect that occurs when the temperature of the surface where the water is deposited exceeds $193^\circ$C. This effect is dominated by the formation of an insulating vapor layer preventing liquid instantaneous evaporation. The experiment was recorded in high definition and the video has been left in internet as an educational resource .
\end{abstract}

\section{Introducción}

Cuando calentamos una placa de metal, o de cualquier otro material, y depositamos gotas de agua sobre ella, la experiencia del día a día, y nuestra intuición, nos dice que si la placa está suficientemente caliente como para que el agua rompa a hervir, se evaporará instantáneamente. En cambio, si está caliente, pero no lo suficiente, se irá evaporando poco a poco hasta desaparecer. Además, bajo ciertas condiciones, se puede observar el denominado efecto Leidenfrost. Este fenómeno muestra que si la temperatura de la placa sobre la que se depositan las gotas de agua supera los $~200^\circ$C, dichas gotas no se evaporan instantáneamente, si no que permanecen relativamente estables, adoptando una forma prácticamente esférica.

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\section{Fundamento físico}

La experiencia muestra que si se deposita una gota de agua sobre una placa, al calentar dicha placa de forma progresiva, se observa que la gota de agua se va evaporando lentamente, aún sin haber sobrepasado la temperatura de ebullición normal del agua, $T_S$. El punto o temperatura de ebullición normal del agua es $99.97^\circ$C.  

En la Figura 1 se muestra que la ebullición del agua presenta distintas fases en función de la temperatura de la placa con la que entra en contacto. Si la temperatura de la placa es entre 4 y $10^\circ$C mayor que la temperatura de ebullición $T_S$, se produce un burbujeo aislado. Si se calienta aún más la placa, la temperatura de la misma aumenta, produciéndose una ebullición por nucleación. Se produce el burbujeo clásico, producto de una lenta evaporación, debido a la interferencia entre las burbujas. Cuando superamos la temperatura $T_S$ en $30^\circ$C  la pendiente en la transferencia de calor cambia, se hace negativa, y entramos en la región de transición en la que se condensan burbujas de vapor en el interior de la gota de agua, lo que hace que su ebullición sea violenta. Esta ebullición violenta se debe a que la gota de agua está superpoblada de burbujas de vapor que rompen el límite elástico de la superficie. Este proceso se detiene cuando se llega al punto de Leidenfrost. En este punto se produce una capa de vapor entre la gota de agua y la placa caliente, la cual reduce significativamente la transferencia de calor a la placa, ya que ésta se produce por radiación y conducción, y por tanto, cesa el proceso de ebullición.

\begin{figure}[h!]\centering \includegraphics[scale=0.9]{Grafico.png}\caption{Transferencia de calor en función de la temperatura de la placa sobre el punto de ebullición del agua. Créditos: Jear Walker, Fundamentals of Physics, Octubre 2014.}  \end{figure}

La aparición del punto de Leidenfrost está relacionada con el hecho de que las burbujas de vapor que antes estaban en el interior de la gota, se unen para formar columnas de vapor. Estas columnas de vapor aparecen cuando pequeñas oscilaciones en la interfase entre dos fluidos son amplificadas, es decir, las columnas de vapor se distorsionan y forman un colchón que impide que la gota de agua entre en contacto con la superficie de la placa. Este punto es relativamente estable, la gota puede permanecer por tiempo indefinido (utilizando superficies superhidrofóbicas), sin embargo, en condiciones normales, es muy sensible a perturbaciones exteriores, que harán que el colchón de vapor colapse y la gota se evapore de forma instantánea.

El cálculo del punto de Leidenfrost puede realizarse mediante diversos modelos que tienen en cuenta las propiedades físicas de la superficie caliente, las impurezas del líquido, la tensión superficial del líquido y la presión atmosférica, entre otras variables. Para el caso que nos ocupa, el punto de Leidenfrsot es aproximadamente $193^\circ$C.

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\section{Montaje experimental y resultados}

Para el montaje experimental se han utilizado una placa de aluminio con regulador de temperatura, un termómetro sin contacto para el control de la temperatura en cada punto de la placa y una cámara réflex con objetivo macro para grabar el fenómeno.

La deposición de las gotas de agua sobre la placa metálica se ha realizado empleando una aguja transdérmica que asegura que las gotas no superen un milímetro de diámetro. De esta forma se pueden descartar fenómenos externos y se presenta el efecto Leidenfrost en todo su esplendor .

Se verificó experimentalmente que la placa metálica estuviese totalmente limpia de posibles manchas de grasa superficial o polvo, para que las gotas de agua no se difundiesen por su superficie. Además, antes de comenzar el experimento, se examinó qué zonas de la placa estaban más o menos calientes y se analizaron sus ciclos de calentamiento-enfriamiento. De esta manera, se pudo realizar el experimento rápidamente, observando todos los fenómenos en el menor tiempo posible y, por tanto, con unas condiciones ambientales muy aproximadas de comienzo a fin. Para tener constancia de todas las fases de ebullición del proceso, se procedió a su grabación en alta resolución.

\begin{figure}[h!]\centering \includegraphics[scale=1.3]{Ambiente.png}\caption{Gota de agua a temperatura ambiente.} \end{figure}

Una vez que todo el dispositivo experimental se encuentra en condiciones controladas, se procedió a ir echando gotas de agua a distintas temperaturas. En la Figura 2, se puede ver una gota de agua cuando la temperatura de la placa es aún menor que la temperatura normal de ebullición $T_S$. Esto nos sirve para comprobar que, efectivamente, la placa estaba limpia. Se observa que la gota adopta una forma esférica debido a su tensión superficial.

\begin{figure}[h!]\centering \includegraphics[scale=0.14]{Burbujeo.png}\caption{Gota de agua entre $104^\circ$C y $110^\circ$C.} \end{figure}

Comenzamos a calentar la placa y, tal y como se ha explicado en la sección anterior, cuando la temperatura está entre $104^\circ$C y $110^\circ$C, se observa un burbujeo aislado, como se muestra en el fotograma de la Figura 3. Cuando la temperatura de la placa está comprendida entre $110^\circ$C y $130^\circ$C la ebullición ocurre por nucleación, formándose burbujas de gran tamaño que comienzan a interferir entre ellas, como se observa en la Figura 4.

\begin{figure}[h!]\centering \includegraphics[scale=0.14]{Nucleacion.png}\caption{Gota de agua en la fase de ebullición por nucleación.} \end{figure}

Con el termómetro sin contacto se comprueba que la placa ya ha superado el punto de transición en la ebullición, ($130^\circ$C) y entramos en la zona de ebullición violenta. La grabación de esta fase resultó difícil debido al movimiento errático que las gotas de agua realizan por toda la superficie de la placa. Durante esta fase, al evaporarse las gotas tan rápidamente, se depositaban inmediatamente los residuos que contiene el agua, mayormente cal, dejando una pequeña mancha en la superficie. La fase de ebullición violenta se extiende hasta que la temperatura de la placa es de $190^\circ$C aproximadamente.

\begin{figure}[h!]\centering \includegraphics[scale=0.14]{Violenta.png}\caption{Gota de agua en la fase de ebullición violenta.} \end{figure}

Para asegurarnos que habíamos llegado a la fase de ebullición sobre un colchón de vapor, región de Leidenfrost, y dado que no se estaba utilizando agua destilada, si no del grifo, se esperó a que la placa superase los $240^\circ$C. A esa temperatura la gota de agua permanecía perfectamente estable y con forma lenticular, en algunos casos durante más de medio minuto. Debido a su pequeño tamaño y la alta temperatura, las columnas de vapor llegan a un punto en que se vuelven inestables y hacen vibrar la gota de agua. A medida que aumenta esta inestabilidad, empiezan a formarse armónicos. Se puede ver cómo la gota vibra en su armónico fundamental, en este punto el colchón ya es totalmente inestable, y la gota se desplaza rápidamente y sin apenas fricción por la superficie de la placa.

\begin{figure}[h!]\centering \includegraphics[scale=0.14]{Leidenfrost.png}\caption{Gota de agua por encima del punto de Leidenfrost.} \end{figure}

\section{Conclusiones}

En este trabajo se ha puesto de manifiesto que no existe un único tipo de ebullición para el agua, si no que depende de la temperatura a la que ocurre el proceso. La ebullición clásica se observa cuando la temperatura de la placa metálica sobre la que se depositan gotas de agua está comprendida entre $104^\circ$C y $130^\circ$C. Cuando la temperatura de la placa está entre $130^\circ$C y $190^\circ$C, se observa una ebullición violenta, en la que el agua expele gotitas en todas direcciones. Cuando la temperatura de la placa es superior a  $193^\circ$C (punto de Leidenfrost del agua) comienza una fase de ebullicón de notable belleza. La ebullición de las gotas de agua tiene lugar sobre una fina capa de vapor, las gotas de agua se vuelven bolitas lenticulares y, contra nuestra intuición, no se evaporan inmediatamente.

El experimento completo se ha grabado en vídeo y se ha publicado en YouTube para que puede ser empleado como recurso educativo. La dirección es: \url{https://youtu.be/MkoqN6hOzfI}

\begin{thebibliography}{X}
\bibitem{Walker} \textsc{J. Walker}, Fundamentals of Physics  (John Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey 2014). 
\bibitem{Welty}\textsc{J. R. Welty}, \textsc{C. E. Wicks}, \textsc{R. E. Wilson} y \textsc{G. L. Rorrer}, Fundamentals of Momentum, Heat and Mass Transfer (John Wiley and Sons, Hoboken, New Jersey 2008).
\end{thebibliography}

\end{document}