La presión y la vela

Hay un experimento casero clásico que consiste en poner una vela en un plato con un poco de agua y taparla con un vaso. La vela va consumiendo oxígeno hasta que se apaga, y el agua entra en el vaso, dado que allí ha disminuido mucho la presión. Sale siempre, sale muy bien y es muy agradecido… lo que no está tan claro es lo que realmente ocurre, y cual es la razón de esa variación de presión. Javier Fernández Panadero, hace unos días publicaba sobre eso aquí mismo en Naukas (ver) dejando claro que la explicación “clásica” no es la buena.

A ver si podemos aclarar esto un poco más.

Hay tres fenómenos que ocurren en el interior del vaso mientras arde la vela: (1) cambio de la composición química de los gases, (2) cambios de temperatura y (3) condensación de vapor de agua al apagarse la vela.

Fenómenos implicados
Fenómenos implicados

En la reacción, la parafina de la vela se combina con oxígeno para dar lugar a dióxido de carbono y agua (y alguna otra cosa como carbón elemental o “carbonilla” que podemos olvidar. Para que la reacción quede ajustada, la parafina ha de aportar carbón e hidrógeno en la misma proporción que el metano (ver figura). La explicación clásica se fija en el lado izquierdo de esta reacción para decir que el oxígeno va desapareciendo a medida que se produce la reacción, hasta que se agota y solo queda nitrógeno (4/5 de la cantidad original, por la composición del aire).

Por tanto el agua sube para rellenar ese hueco, de 1/5 del volumen original. Es obvio que esta explicación no tiene en cuenta que por cada molécula de O2 desaparecida aparecen una y media más de gases (una de H2O y media de CO2). Visto así, más que disminuir la presión debería aumentar. Más importante para lo que veremos a continuación es que debería hacerlo de forma continua, al ritmo al que se produce la reacción.

¿Qué ocurre en el interior?
¿Qué ocurre en el interior?

La explicación basada en el segundo fenómeno no tiene en cuenta variaciones en la composición del gas, y se centra en los cambios de temperatura. Así, cuando la vela está encendida va aportando calor al interior del vaso, lo que hace que el gas se dilate y vaya saliendo el exceso (ver la figura). Cuando se apaga la vela y deja de aportar calor, el gas se contrae, y es esa contracción la que genera una disminución de presión que hace subir al agua. Si esta explicación es la correcta, mientras la vela está encendida ha de aumentar la presión de forma continua, y al apagarse disminuir al ritmo del enfriamiento. Como veremos, no es eso lo que ocurre.

Con el fin de dilucidar estas cuestiones se pueden hacer cálculos de estos dos fenómenos, suponiendo gases ideales y simplificaciones parecidas, y lo que parece es que con la vela encendida ha de aumentar bastante la presión, tanto por un efecto como por otro. Y para calibrar cuánto es “bastante” hacen falta más datos. Lo que me resultó más fácil de forma doméstica, fue construir un manómetro, un medidor de presión de columna de agua conectado a un recipiente hermético (un bote de vidrio de conserva) en el que poner la vela a arder.

El resultado está en el siguiente vídeo:

Primero se comprueba que el sistema funciona, que el bote es estanco, así como las uniones del mecano de tubitos con que se hace el manómetro. Por cierto el líquido de dentro es agua con colorante alimentario amarillo. Como se puede ver en el experimento, la presión no varía apreciablemente durante todo el tiempo que está la vela encendida, y solo en el momento de apagarse hay una disminución muy brusca, que luego revierte pero no del todo, quedando una depresión de un par de centímetros de agua en el interior del recipiente.

Para entender lo que realmente pasa hemos de recordar las dos moléculas de agua que aparecen como producto de la reacción. Ese agua aparece en forma gaseosa, como producto de la reacción que ocurre a temperaturas de cientos de grados. Pero en cuanto se aleja de la llama la temperatura es más baja y puede condensarse. ¿Lo hace? Seguro, esa condensación ha de ir ocurriendo mientras la llama está encendida a un ritmo (aproximado) como para compensar los incrementos que esperaríamos por los otros dos fenómenos (el aumento de moles y de temperatura), dado que no se observa.

Por otro lado, al cesar el suministro de vapor de agua y de calor con la extinción de la llama, esa condensación crece bruscamente, causando una enorme disminución de presión (y una capa de gotitas de agua en la pared del vidrio). Supongo que una parte de esas gotitas vuelven a evaporarse para recuperar el equilibrio, que se produce a ese par de centímetros de agua que vemos al final.

A falta de más medidas (temperaturas y composiciones de gases en el interior), cálculos o simulaciones, esa es mi mejor explicación, que coincide con la de Javier, por cierto.


4 Comentarios

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Arturo Quirantes Sierra

Yo soy físico, no químico, pero me quedé con aquello de “un mol en condiciones estándar ocupa un volumen de 22,4 litros” Según la reacción química del gas, tres moles (dos de oxígeno y uno de metano) dan lugar a tres moles (dos de vapor de agua y uno de dióxido de carbono), así que la explicación (1) no me convence. De ser cierta, además, se produciría durante la combustión, y el experimento deja claro que no es así.

El cambio de temperatura (explicación 2) tampoco me mola. Calor significa mayor temperatura, con lo que el gas se expande, pero en tu experimento no se aprecia.

Ahora bien, si se apaga la vela parte del vapor de agua se condensa convirtiéndose en agua líquida. Ahora tenemos menos moles de vapor, y por tanto menos presión (explicación 3).

Bravo por la física experimental.

TaiTai

De verdad, macho, que no hace falta ser físico para ajustar una reacción química elemental. Hay que contar átomos…
Y lo de calor significa mayor temperatura…algunas veces dudo si lo haces en serio para provocar, o en realidad fallas cual escopetita de feria. Que no es malo, pero me suena que queda mal en un profe de Uni que se ha caracterizado por críticas poco constructivas, mirando paja en ojo ajeno.

Por otro lado, bravo por la física experimental sí.

Joaquin Sevilla

Gracias en nombre de la física experimental 😉
Por cierto, el caso de la explicación 1 es peor, por que no hay metano realmente, sino parafina de la vela (o madera si fuera una cerilla) que se queman y aportan carbono e hidrógeno en proporciones equivalentes (para conservar la estequiometría) a lo que aportaría el metano. Pero ese reactivo es inicialmente sólido, por lo que en la fracción gaseosa pasaríamos de dos a tres moles, tendría que aumentar la presión. Tanto la explicación 1 como la 2 supondrían un aumento de presión mientras la vela está encendida que el experimento no muestra.

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[…] cuando tiene lugar en un recipiente cerrado baja la presión. Con esa disminución de presión se puede succionar el agua de un plato, meter un huevo duro en una botella o espachurrar una lata de refresco, que serían los tres […]

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