Cuando el agua se congela en una tubería, puede romperla y abrirla. Supongo que esto requiere mucha energía, ya que cuando trato de romper una tubería, ¡puede ser un trabajo duro!
Creo que la congelación del agua es el resultado de la pérdida de energía (calor) del agua y de la tubería hacia el entorno helado que la rodea.
Entonces, ¿qué energía está rompiendo la tubería y cómo? Cuando está caliente y no congelada, ¿hay más energía en la tubería que cuando está congelada?
Mi pregunta secundaria podría ser: ¿es este un fenómeno particular del agua u otra materia abriría una tubería cuando se congela de líquido?
En primer lugar, cuando dice que tratar de romper una tubería es un trabajo duro, lo que probablemente quiere decir (en términos de física) es que se necesita una gran fuerza. Pero eso no significa necesariamente que requiera mucha energía . La energía utilizada en un proceso físico como ese es igual a la fuerza multiplicada por la distancia sobre la que se aplica la fuerza, y no es necesario empujar demasiado para romper una tubería. De hecho, la tubería apenas se mueve antes de romperse, por lo que aunque la fuerza requerida es bastante grande, solo actúa en una pequeña distancia y, por lo tanto, apenas consume energía real. La poca energía que se requiere puede provenir del agua misma.
Para explicar el "cómo" hay que tener en cuenta las interacciones moleculares. (Bueno, no tienes que hacerlo , pero lo haré). La energía de cada par de moléculas de agua varía con la distancia entre ellas, de la manera que se muestra (aproximadamente) en el siguiente gráfico (de Wikipedia ).
Notarás que hay una cierta distancia en la que la energía es mínima. Esta distancia representa la distancia de equilibrio "natural" entre las moléculas cuando no hay presión. Sin embargo, cuando el agua está bajo presión, las moléculas se juntan (porque la presión es más o menos similar a la fuerza), por lo que su distancia real será un poco más cercana que el mínimo del gráfico.
El agua tiene la propiedad única de que su densidad "natural" a presión constante alcanza un máximo a cierta temperatura, alrededor de 4 grados centígrados, y que su forma congelada (hielo) es menos densa que su forma líquida. En otras palabras, la distancia intermolecular de equilibrio (el mínimo del gráfico) es menor a 4 grados Celsius. Si la temperatura del agua va a caer por debajo de los 4 grados centígrados, el mínimo se desplaza un poco hacia la derecha, lo que significa que tiene que ocurrir una de dos cosas: el agua se expande (si la separación intermolecular se mantiene en el mínimo del gráfico), o su presión aumenta (si la separación intermolecular sube por la pendiente del gráfico).
Ahora piensa en la situación en una tubería. Mientras la tubería permanezca intacta, el agua no puede expandirse en absoluto. Así que la única opción es que aumente la presión. A medida que aumenta la presión, también aumenta la fuerza sobre la tubería, y notará que debido a que la pendiente de la curva es muy empinada, la fuerza aumenta muy rápidamente. En algún momento, la fuerza se vuelve lo suficientemente grande como para abrumar los enlaces que mantienen unidos a los átomos/moléculas en la tubería, y en ese punto, la tubería se agrieta. Tenga en cuenta que en este modelo teórico no es necesario que ninguna parte de la tubería se haya movido, lo que significa que la tubería podría romperse sin que se use energía. (En la práctica, están sucediendo otras cosas que hacen que requiera un poco de energía).
No pretendo entender todos los números (solo soy un defensor público, no un abogado real), pero creo que este problema en particular se basa en más que un simple cálculo del cambio de volumen/densidad en el agua cuando se congela. Las tuberías no suelen ser sistemas cerrados; por ejemplo, el agua acumulada en las tuberías de drenaje puede expandirse libremente a lo largo de la tubería a medida que se congela, por lo que la posibilidad de que una tubería de drenaje explote debido a la congelación del agua es mínima. De manera similar, el agua en una tubería de suministro de agua normalmente solo está bajo la presión del suministro de agua entrante (desde un pozo o una tubería de suministro de agua subterránea de la ciudad mucho más grande). Esta cantidad de presión está dentro de la capacidad de resistencia de la tubería; de hecho, la tubería está diseñada para hacerlo. El único problema surge cuando el agua se expande cuando se congela.
Pero es muy importante saber dónde se congela el agua primero. Si el agua se congela en un grifo exterior para una manguera de jardín PRIMERO, probablemente no reventará el grifo ni la tubería. Durante el cambio de fase, el agua puede fluir un poco y, por lo tanto, el grifo ni siquiera tiene que lidiar con la presión total del agua que se expandió dentro de él (aproximadamente 10% por volumen si estoy leyendo correctamente las publicaciones anteriores) ; como en el ejemplo de la tubería de drenaje, el agua puede expandirse libremente a lo largo de la tubería; todo lo que tiene que hacer es forzar un poco el suministro de agua para que retroceda superando la presión relativamente baja del suministro de agua. Es probable que este fenómeno de alivio de presión ocurra siempre que el agua se congele primero .en uno de los muchos extremos de un sistema de plomería. Por lo tanto, la mayoría de las tuberías rotas no ocurren simplemente por el hielo mismo.
Verá, el verdadero problema ocurre cuando el agua se congela por primera vez .en algún lugar entre la presión del suministro de agua y el extremo de la tubería, creando un bloqueo. Cuando eso sucede, termina con agua atrapada entre el bloqueo de agua congelada y el extremo de la tubería. Esa agua no tiene adónde ir cuando más agua comienza a congelarse entre el bloqueo congelado y el extremo de la tubería: la presión del agua aumenta y aumenta hasta que revienta la parte más débil de la tubería y escapa. Entonces, al final, no es realmente el hielo lo que revienta la tubería, es el agua que aún no se ha congelado. Puedo decirle que mi amigo plomero está de acuerdo con esta explicación y ayuda a explicar por qué las tuberías más grandes tienen menos probabilidades de reventar (porque es mucho más difícil que toda el agua en una sección de la tubería se congele a la vez y cree un bloqueo) .
Una respuesta muy sencilla es que al congelarse el agua aumenta su volumen o disminuye su densidad desde 1000 kg/m^3 en la fase líquida hasta 920 kg/m^3 en la sólida. Detalles que puede encontrar aquí . Se puede calcular fácilmente a partir de aquí el aumento de volumen que experimentaría la masa de un agua libre (igual a la del interior del tubo). Ya que para la misma masa, m, de agua se encuentra m=\rho _wV_w=\rho _iV_i. Aquí el subíndice w indica agua, mientras que i indica hielo; V es el volumen y \rho es la densidad. Ahora, a partir de esto, es fácil encontrar \frac{V_i-V_w}{V_i}=\frac{\rho _w-\rho _i}{\rho _w}=0.08 Esta es una tensión enorme. El módulo volumétrico del agua es aproximadamente B\approx 2 \text{GPa} (lo encontrarás en el mismo artículo de Wikipedia). Entonces la presión en la tubería cerrada es P=B\unicode{f39e}\times \text{ V}/V. Esto produce P=1.6\times 10^8 \text{Pa}. Esta presión rompe la tubería. Tenga en cuenta que es solo 2-3 órdenes de magnitud menor que la resistencia teórica del metal, que es \sim 10^{11} \text{Pa} , pero como sabe, los sólidos se fracturan mucho antes de alcanzar su resistencia teórica.
Creo que la lógica con respecto a que el hielo puede expandirse a lo largo de una tubería (y, por lo tanto, mitigar la fractura de la tubería a medida que el agua se expande) es razonable. Podría ser (y probablemente ha sido) demostrado experimentalmente. Pero, por otro lado, no estoy de acuerdo con el "agua en estado líquido contenida/atrapada" como explicación de la fractura de la tubería. Si llena completamente un recipiente con agua, se romperá cuando el agua se congele. Por supuesto, el agua se congelará de afuera hacia adentro, y se podría decir que hay un efecto del agua aún no congelada que aumenta la presión. Pero creo que es la expansión localizada del agua en estado congelado (mientras que al mismo tiempo el hielo actúa como un tapón que impide el flujo de agua) lo que ejerce la presión. Esto fractura la tubería. Mientras se mantengan las condiciones de congelación, el "tapón de hielo" permanece como un sellador que impide el flujo de agua. La detección de la fractura se produce cuando el hielo se derrite con la consiguiente salida de agua; bajo presiones de agua en el hogar, este flujo puede ser bastante sustancial. Entre paréntesis, un fontanero amigo mío hoy mismo insistió en que el agua se contrae cuando se congela.
Marcos Eichenlaub
nelson
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