¿Cómo se Congela el Agua?

Suponga cierta masa de agua, digamos un lago cuasi estático y con la temperatura del ambiente por debajo de la temperatura de congelación de la masa de agua allí contenida; suponga también, para simplificar un poco la comprensión; la temperatura del ambiente no varía mucho. Es así como tenemos a un gran sumidero de calor, el ambiente, y un sistema próximo a alcanzara el equilibrio termodinámico a través de la transferencia de calor, por ejemplo un lago. Establecido esto supongamos también que la transferencia de calor se hace cuasi uniformemente sobre toda la superficie del agua hacia los interiores. Es de pensar entonces que la masa de agua se congelara total y uniformemente. Ahora este experimento no se aleja mucho de las condiciones reales a las cuales una masa de agua esta expuesta en la naturaleza, sin embargo, la experiencia enseña: una masa de agua no se congela uniformemente si no que crea una capa de hielo sobre la superficie. ¿Qué sucede entonces? ¿Es apropiado el enfoque termodinámico convencional para explicar este fenómeno? El presente artículo dará a grandes rasgos ciertos parámetros de lo apropiado e inapropiado de cada modelo puesto en escena.

La explicación, como se deduce de la pregunta formulada anteriormente, puede darse desde varios puntos de vista: El enfoque termodinámico convencional, que nos habla de las propiedades macroscópicas de la materia; y el enfoque microscópico son algunos de ellos y los considerados en el artículo. Para efectos prácticos, el enfoque termodinámico nos da una explicación satisfactoria de lo que sucede en este fenómeno, además de predicciones acertadas de lo que sucedería en condiciones diferentes pero ¿es completa su descripción del fenómeno?

Veamos primero la descripción del fenómeno según el enfoque macroscópico: En cercanías al punto de congelamiento el agua presenta una singularidad: tiene un máximo de densidad. Esto ocurre a 4ºC. Ahora, sabemos que los objetos mas densos en una solución tienden a localizarse en la parte mas baja, por esto la superficie en contacto con el gradiente de temperatura una ves alcanza los 4ºC cae, dando paso a una masa de agua mas calida. Este proceso se repite sucesivamente creando un movimiento de convección con el cual se espera que la temperatura del lago en nuestro caso llegue uniformemente a los 4ºC. Una vez alcanzado esta cota la densidad del agua disminuye, debido a la presencia de una temperatura menor, y por tanto, la superficie en contacto con el gradiente de temperatura no es arrastrada hacia las profundidades, sino que se enfría libremente hasta congelarse. Vemos pues que la explicación es muy satisfactoria en cuanto a las implicaciones de la existencia de este máximo de densidad pero ¿Qué causa el máximo de densidad del agua? Este enfoque no es útil para referirse a las causas del fenómeno en si. La explicación para ello recurre a modelos moleculares de la materia, es decir, a un enfoque microscópico. El enfoque microscópico nos dice: las moléculas de agua a medida que se enfrían hacen que las átomos de hidrogeno que componen la molécula se orienten apuntando hacia los átomos de oxigeno. Esta orientación forma los llamados enlace de hidrogeno, este sutil efecto hace separar las moléculas de agua, haciéndolas ocupar un volumen mayor, esto es debido al aumento de los enlaces de hidrogeno. Un volumen mayor en una misma cantidad de masa conlleva una disminución de densidad. Por otro lado esta disminución se efectúa a partir de los 4ºC, lo cual explica el máximo de densidad del agua a esta temperatura. A grandes rasgos, cuando una cantidad de agua es sometida a enfriamiento ocurre un aumento en la densidad de la masa de agua debido al enfriamiento de las moléculas, esto hasta 4ºC, donde los enlaces de hidrogeno hacen disminuir el efecto de reagrupamiento de las moléculas, haciéndolas menos importante, lo cual conlleva a la disminución de la densidad de la sustancia.

Resulta interesante, para estos efectos mas cualitativos representa un enfoque mas adecuado, es un modelo abrumador para los científicos. Por este modelo intentaron explicar el comportamiento de las sustancias. Esto es una de las grandes criticas a la termodinámica clásica: dejar por fuera estos enfoques tan asombrosos, a raíz de esto nace la termodinámica molecular.

Después de leer lo anterior el receptor quizás quedara asombrado de lo que es capaz dicho enfoque. Pues para persuadir al lector de las grandes desventajas de este modelo hagamos cálculos alegres, de lo que se necesita para hacer una predicción completa de un sistema con este modelo. El problema es predecir el comportamiento de un sistema con este modelo, debido a la necesidad de ciertas ecuaciones para predecir el movimiento y posición de cada una de las partículas, lo cual convierte en una locura de ecuaciones algo que con un enfoque más general seria más fácil. Es preciso entonces, podrá deducir el lector, un enfoque más general que explique el fenómeno, pero para efectos de comprensión también tome los fenómenos molecularmente. Vemos nuevamente que una postura radical solo conlleva a un problema de difícil solución y es ahí donde la ciencia se manifiesta como un lenguaje abierto que no se contradice ni se somete a dogmatismos. Al criterio del pensamiento del lector se deja la siguiente frase: El modelo más adecuado es el que nos permita predecir con menor complejidad, pero sin sacrificar comprensión, el fenómeno de estudio.

BIBLIOGRAFÍA:

COURTY, J y KIERLIK, E. Cuando se hielan los lagos. Revista Investigación y Ciencia: 2002. Vol. 309. 82-83p.

SMITH, J. M.VAN NESS, H. C. Introducción a la termodinámica Ingeniería Química. 4 ed. 1.996.

PERELMAN, Y. Física Recreativa