Capacidad calorífica, calor de vaporización y densidad del agua

Imaginemos que es un día caluroso. Acabas de estar un rato en el sol, y estás sudando bastante, cuando te sientas y tomas un vaso de agua con hielos. Casualmente notas tanto las gotas de sudor en tus brazos como los pedazos de hielo que flotan en la parte superior de tu vaso con agua. Gracias al gran trabajo que has hecho al estudiar las propiedades del agua, reconoces que el sudor en tus brazos y los cubos de hielo que flotan en tu vaso son ejemplos de la sorprendente capacidad del agua de formar puentes de hidrógeno.

¿Cómo funciona eso? Las moléculas de agua son muy buenas para formar puentes de hidrógeno, asociaciones débiles entre las partes parcialmente positivas y parcialmente negativas de las moléculas. Los puentes de hidrógeno explican no solo la efectividad del enfriamiento por evaporación (por qué sudar te refresca) sino también la baja densidad del hielo (por qué flota el hielo).

Aqui examinaremos más de cerca el papel de los enlaces de hidrógeno en los cambios de temperatura, congelamiento y vaporización del agua.

El agua tiene características químicas únicas en sus tres estados -sólido, líquido y gas- gracias a la capacidad de sus moléculas de formar puentes de hidrógeno entre sí. Puesto que los seres vivos, desde los seres humanos hasta las bacterias, tienen un alto contenido de agua, entender las características químicas únicas del agua en sus tres estados es clave para la biología.

En el agua líquda, los puentes de hidrógeno constantemente se forman y se rompen a medida que las moléculas de agua resbalan una al lado de la otra. Estos enlaces se rompen como consecuencia de la energía de movimiento (energía cinética) de las moléculas de agua debido al calor que contiene el sistema.

Cuando se eleva el calor (por ejemplo, cuando el agua hierve), la mayor energía cinética de las moléculas de agua causa que los puentes de hidrógeno es rompan completamente y permite que las moléculas de agua escapen hacia el aire como gas. Podemos observar este gas como vapor de agua.

Por otra parte, cuando baja la temperatura y el agua se congela, las moléculas de agua forman una estructura cristalina que se mantiene gracias a los puentes de hidrógeno (puesto que queda muy poca energía para romperlos). Esta estructura hace que el hielo sea menos denso que el agua líquida.

La menor densidad del agua en estado sólido se debe a la forma como se orientan los enlaces de hidrógeno a medida que el agua se congela. Específicamente, las moléculas de agua en el hielo quedan más separadas que cuando están en agua líquida.

Esto significa que el agua se expande cuando se congela. Tal vez hayas observado esto si alguna vez pusiste un recipiente sellado de vidrio con un alimento principalmente líquido (sopa, refresco, etc.) en el congelador, solo para que estallara o se quebrara cuando el agua líquida se congeló y expandió.

En la mayoría de los demás líquidos, la solidificación - que sucede cuando la temperatura cae y disminuye al energía cinética (movimiento) de las moléculas- permite que las moléculas queden más apretadas que en la forma líquida. Esto le da al sólido una densidad mayor que el líquido. El agua es una anomalía (es decir, algo que sobresale por raro) por su menor densidad en estado sólido.

Debido a que es menos denso, el hielo flota en la superficie del agua líquida, tal es el caso de un témpano o los cubos de hielo en un vaso de té helado. En lagos y estanques, se forma una capa de hielo sobre el agua líquida, que crea una barrera aislante que protege a los animales y la vida vegetal del fondo del estanque del congelamiento.

¿Por qué es perjudicial que los seres vivos se congelen? Lo podemos entender si recordamos de nuevo el caso de la botella de refresco que se quiebra en el congelador. Cuando una célula se congela, su contenido acuoso se expande y su membrana (justo como sucede con la botella de refresco) se rompe en pedazos.

Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida debido a que parte del calor se debe usar para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas. En otras palabras, el agua tiene una alta capacidad calorífica, definida como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un gramo de una substancia un grado Celsius. La cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 gr de agua 1 °C, tiene su propio nombre: caloría.

Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua es unas cinco veces mayor que la de la arena. La tierra se enfria más rápido que el mar una vez que se mete el sol, y el agua que se enfría más lentamente puede liberar calor a la tierra cercana durante la noche. Los animales de sangre caliente también usan el agua para distribuir calor por su cuerpo: el agua se comporta como lo hace en el sistema de enfriamiento de un automóvil y se mueve de lugares calientes a lugares más fríos, lo que ayuda a que el cuerpo tenga una temperatura uniforme.

Así como se necesita mucho calor para elevar la temperatura del agua líquida, también se necesita una gran cantidad de calor para evaporar una cierta cantidad de agua, ya que los puentes de hidrógeno deben romperse para liberar las moléculas en forma de gas. Es decir, el agua tiene un alto calor de vaporización, que es la cantidad de energía necesaria para transformar un gramo de una substancia líquida en gas a temperatura constante.

El calor de vaporización del agua es alrededor de 540 cal/g a 100 °C, el punto de ebullición del agua. Toma en cuenta que algunas moléculas de agua —las que tengan una energía cinética alta— escaparán de la superficie del agua aun a temperaturas inferiores.

A medida que se evaporan las moléculas de agua, la superficie de la que se evaporan se enfría, un proceso que se conoce como enfriamiento por evaporación. Esto se debe a que las moléculas con la energía cinética más alta se pierden por evaporación (consulta el video sobre enfriamiento por evaporación para más información). En seres humanos y otros organismos, la evaporación del sudor, que es 99% agua, enfría el cuerpo para mantener una temperatura constante.