Figura 4. Estado de equilibrio (a la izquierda) entre la temperatura y la presión. El equilibrio se altera (a la derecha) mediante la reducción de la presión, resultando en ebullición.

Figura 5. El punto de ebullición (temperatura) del agua varía con un cambio en la presión. Valores completamente diferentes son obtenidos para otros líquidos.

Importancia del Aire Disuelto en el Agua

El agua contiene alrededor de un 5 % de aire en volumen, mezclado mecánicamente. En los sistemas de condensación de vapor, se emplean bombas de aire para eliminarlo, evitando la pérdida de vacío en el condensador. En los sistemas de calefacción a vapor, se utilizan válvulas automáticas de purga para liberar el aire atrapado en los radiadores, evitando bloqueos e ineficiencia en la transmisión de calor.

Cuando el agua se calienta, se expande y su densidad disminuye. En un sistema de calefacción de agua caliente, esta diferencia de densidad genera un flujo de circulación natural conocido como termocirculación. Si se impide este flujo, se produce un estado denominado esferoidal, en el cual una película de vapor aísla el líquido del contacto con la superficie de calentamiento, reduciendo la transferencia de calor y pudiendo generar sobrecalentamiento y daños en la caldera.

Figura 6.  Expansión y contracción de agua con la variación en la temperatura, resultando en un cambio en el peso por unidad de volumen.

Para un funcionamiento eficiente, el agua de las calderas debe estar libre de impurezas. Los minerales disueltos pueden precipitarse al calentarse, formando incrustaciones, que reducen la transferencia de calor y pueden provocar sobrecalentamiento del metal. Es necesario realizar limpiezas periódicas y aplicar tratamientos químicos para minimizar este problema.

En el diseño de bombas hidráulicas, se considera que el agua es relativamente incompresible y puede transmitir golpes de ariete, lo que requiere materiales resistentes y factores de seguridad adecuados en los componentes estructurales.

Figura 7. Termocirculación en un sistema de calefacción de agua caliente.

Figura 8. Experimento ilustrando el  efecto de la no circulación. Si se coloca hielo en el fondo del tubo de ensayo y se aplica calor cerca de la superficie del agua, el agua hierve en ese punto. Sin embargo, el calor no derrite el hielo, debido a que el agua fría alrededor del hielo es más pesada que el agua caliente en la parte superior, lo que impide la termocirculación. Si el calor es aplicado a la parte inferior del tubo, el hielo se derrite y toda el agua es vaporizada si se aplica el calor suficiente.

Figura 9. El estado esferoidal en el que una gota de agua sobre una de plancha al rojo vivo cambia a vapor.

Figura 10. Un cilindro en un motor de vapor, que ilustra la acción de refrigeración por cambio de estado. La línea (MS) representa la temperatura promedio de las paredes del cilindro. En la  operación real, cuando el vapor es admitido al cilindro y durante una parte de su recorrido, su temperatura es mayor que la de las paredes del cilindro (a la izquierda). Si el punto (L) se supone que es la posición del pistón a iguales temperaturas  (en el centro), la condensación se lleva a cabo. Como el pistón avanza más allá del punto (L), la temperatura del vapor es menor que la de las paredes del cilindro. El exceso de calor en las paredes del cilindro hace que el condensado hierva (es decir, ocurra re-evaporación), lo que roba a las paredes del cilindro parte de su calor.

Términos destacados :

El agua desempeña un papel crucial en la transmisión de potencia en sistemas hidráulicos y térmicos. Comprender su comportamiento bajo variaciones de temperatura y presión, así como sus efectos en el diseño de calderas y bombas, es esencial para garantizar eficiencia y seguridad en su aplicación.