Supongamos que tenemos una olla de dimensiones conocidas llena hasta el nivel L con agua hirviendo en una estufa, cubierta por una tapa con un orificio de ventilación de dimensiones conocidas. Dada la temperatura de estado estacionario de la estufa (parte inferior de la superficie de la olla), ¿cómo estimar cuantitativamente la presión ambiental y la temperatura del vapor en la olla, a una presión de 1 atm fuera de la olla?
Todo lo que puedo pensar es que la presión será una función del tamaño de la ventilación (disminuyendo monótonamente) y la temperatura de la estufa (aumentando monótonamente). Esto se debe a que se producirá más vapor a una temperatura más alta de la estufa y la velocidad del vapor que escapa a través de la ventilación es una función de presión que aumenta monótonamente; en el equilibrio la cantidad de vapor que escapa == la cantidad de vapor producido por unidad de tiempo. Pero, ¿es solo la presión la que aumenta a medida que aumenta la temperatura de la estufa? En el caso límite de ausencia de agua y ventilación de tamaño cero, la temperatura del vapor aumentará hasta alcanzar la temperatura de la estufa. ¿La presencia de agua a 100°C afecta la temperatura del vapor?
Una forma de intentar resolver este problema podría ser considerar la cantidad de energía que entra y sale de la olla (la tasa de pérdida de masa debido al escape de vapor es baja, así que suponga que no se pierde masa).
Espero que la respuesta a todo el problema sea un conjunto de ecuaciones simultáneas para resolver. Pero, ¿qué ecuación usar para encontrar la tasa de entrada de energía? Sería que ver con la temperatura de la estufa y la temperatura del agua, 100°C, pero no se me ocurre cómo encontrarlo.
Hay demasiadas incógnitas para modelar la situación con precisión.
Si conoce la energía que se bombea a su sartén, puede calcular fácilmente la cantidad de vapor generado a partir del calor latente de vaporización del agua. Puede calcular la energía que genera su cocina a partir del caudal de gas, o la corriente si es una cocina eléctrica, pero cualquiera puede adivinar qué porcentaje de esto se pierde en el medio ambiente y cuánto termina en la sartén.
Para cualquier tasa de flujo significativa de vapor, supongo que la mezcla turbulenta garantizará que la temperatura del vapor sea aproximadamente constante en toda la sartén. La temperatura será cualquiera que sea el punto de ebullición del agua a la presión interna. La tasa de flujo de vapor a través del orificio en la sartén es bastante sencilla de calcular a partir de los primeros principios, aunque dado que el vapor es tan importante industrialmente, supongo que algunas búsquedas en Google encontrarán tablas y ecuaciones empíricas para la tasa de flujo.
Respuesta al comentario:
Sea la masa de agua perdida por segundo , entonces la potencia aplicada al agua en la sartén es simplemente:
dónde es el calor latente de vaporización del agua . Esto será igual a la potencia generada por su cocina multiplicada por algún factor desconocido menor que la unidad para permitir la pérdida de calor al medio ambiente.
Respuesta al segundo comentario:
La temperatura del agua estará cerca del punto de ebullición porque cualquier agua más caliente que el punto de ebullición se convierte en vapor y el calor latente requerido enfriará el agua nuevamente. El vapor en la capa inmediatamente encima del agua estará a la misma temperatura que el agua porque está en contacto térmico con ella.
Si el vapor sobre el agua está más caliente que el agua, debe preguntarse qué lo calienta. Lo único que se me ocurre que podría calentar el vapor son las paredes y la tapa de la sartén. Sin embargo, la sartén solo se calienta desde el fondo y el flujo de calor por conducción a través de las paredes de la sartén es mucho más lento que el calentamiento/enfriamiento por convección entre las paredes de la sartén y el agua en la sartén. Por lo tanto, supongo que las paredes y la tapa de la sartén también están cerca del punto de ebullición del agua; en realidad, probablemente estarán un poco más frías porque perderán calor con el aire circundante.
Entonces, supongo que mientras haya suficiente agua en la sartén, el vapor en la sartén estará cerca de la temperatura del agua.
Evgeni Serguéiev