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Aquae

Crea hielo al instante con este experimento

Para realizar este experimento necesitaremos un recipiente o plato, una botella de agua llena y un vaso con hielo. Cómo veis, de lo más sencillo.

Dejamos la botella llena de agua durante dos horas y media en el congelador. Colocamos los hielos en el recipiente. Echamos el agua fría sobre el hielo y… ¡Se congela! Pero, ¿por qué? El agua se solidifica a una temperatura de cero grados, pero al mantenerse quieta en el congelador, este proceso no ocurre. Al echar el agua sobre el hielo, este actúa como una impureza que hace que el agua pase a estado sólido por el proceso de nucleación. La nucleación es un proceso que ocurre cuando el agua comienza a cambiar de estado, ya sea sólido, líquido o gaseoso.

¿Qué es la nucleación?

Es el primer paso en la formación de una nueva fase termodinámica o una nueva estructura mediante el autoensamblaje o la autoorganización. Normalmente, se define como el proceso que determina cuánto tiempo debe esperar un observador antes de que aparezca la nueva fase o estructura autoorganizada. Por ejemplo, si un volumen de agua se enfría (a presión atmosférica) por debajo de 0 ° C, tenderá a congelarse en hielo, pero los volúmenes de agua enfriados solo unos pocos grados por debajo de 0 ° C a menudo permanecen completamente libres de hielo durante períodos prolongados.

En estas condiciones, la nucleación del hielo es lenta o no ocurre en absoluto. Sin embargo, a temperaturas más bajas, los cristales de hielo aparecen con poca o ninguna demora. En estas condiciones, la nucleación del hielo es rápida. Es comúnmente cómo comienzan las transiciones de fase de primer orden, y luego es el comienzo del proceso de formación de una nueva fase termodinámica. Por el contrario, las nuevas fases en las transiciones de fase continuas comienzan a formarse inmediatamente.

A menudo se encuentra que la nucleación es muy sensible a las impurezas en el sistema. Estas impurezas pueden ser demasiado pequeñas para ser vistas a simple vista, pero aún pueden controlar la velocidad de este proceso. Debido a esto, a menudo es importante distinguir entre nucleación heterogénea y la homogénea. La nucleación heterogénea ocurre en los sitios de nucleación en las superficies del sistema. La homogénea se produce lejos de una superficie.

Experimento con acetato de sodio para comprobar la nucleación

Características

Es generalmente un proceso estocástico (aleatorio), por lo que incluso en dos sistemas idénticos la nucleación ocurrirá en momentos diferentes. Un mecanismo común se ilustra en la animación de la derecha. Esto muestra la nucleación de una nueva fase (mostrada en rojo) en una fase existente (blanco). En la fase existente, las fluctuaciones microscópicas de la fase roja aparecen y decaen continuamente, hasta que una fluctuación inusualmente grande de la nueva fase roja es tan grande que es más favorable para que crezca que para reducirse a nada.

Este núcleo de la fase roja crece y convierte el sistema en esta fase. La teoría estándar que describe este comportamiento para la nucleación de una nueva fase termodinámica se llama teoría clásica de nucleación. Sin embargo, la CNT falla en describir los resultados experimentales de la nucleación de vapor a líquido incluso para sustancias modelo como el argón en varios órdenes de magnitud.

Para la nucleación de una nueva fase termodinámica, como la formación de hielo en agua por debajo de 0 ° C, si el sistema no evoluciona con el tiempo y la nucleación ocurre en un solo paso, entonces la probabilidad de que no se haya producido la nucleación debe sufrir una desintegración exponencial. Esto se ve, por ejemplo, en la nucleación del hielo en pequeñas gotas de agua superenfriadas. La tasa de desintegración de la exponencial da la tasa de nucleación. La teoría clásica de la nucleación es una teoría aproximada ampliamente utilizada para estimar estas tasas y cómo varían con variables como la temperatura. Predice correctamente que el tiempo que tiene que esperar para la nucleación disminuye extremadamente rápidamente cuando está sobresaturado.