Cocinando pasta: La termodinámica según mi madre
Recuerdo cuando era pequeño y ayudaba a mi madre a cocinar algunas tardes. Con 5 años mi misión era no estorbar demasiado, por lo que con una cazuela encima de una mesa, tres patatas y dos zanahorias ya estaba entretenido, aunque solo cocinase en mi cabeza. A medida que fui creciendo conseguí el acceso al codiciado fuego de nuestra cocina de gas, pero solo para regular la intensidad del fuego. Mi momento favorito llegaba cuando mi madre decía “Jaime, ya puedes poner el fuego al mínimo que el agua está hirviendo”. Ese momento lo recuerdo con especial cariño por dos motivos: me sentía el amo y señor del fuego y me fascinaba que con una llama más pequeña siguieran saliendo burbujas del agua. Yo esperaba que el agua no continuase hirviendo al aplicarle menos calor, pero es evidente que mi intuición no era demasiado buena.
Ha pasado más de una década, pero como en aquel entonces me sigue encantando trastear en la cocina. Se acerca la hora de la comida y hoy me apetece pasta, así que aprovechemos para entender qué le ocurre al agua durante todo este proceso y así aprender algo de termodinámica. Cogemos una cazuela, le echamos agua y la ponemos al fuego para que hierva y cocer unos espaguetis. Como tenemos un poco de prisa pondremos el fuego al máximo, porque así el calor generado por la llama será mayor y la temperatura del agua subirá más rápido. Durante este proceso todo el calor se destinará a aumentar la temperatura del agua hasta los 100 grados, momento en el que comenzará a hervir. A la temperatura a la que hierve un líquido la llamamos punto de ebullición y así nos referiremos de aquí en adelante a esta temperatura. Y sí, no hemos echado sal, pero es que hoy cocinamos para hipertensos.
Tras esperar varios minutos, el agua ya borbotea en la cazuela y vemos cómo emergen burbujas. Lo que está ocurriendo es que el agua está pasando de estar en estado líquido a estado gaseoso. Una cosa curiosa es que a pesar de que mantenemos la llama encendida, la temperatura del agua nunca supera el punto de ebullición. Pero… un momento. Si antes habíamos dicho que todo el calor del fuego se invertía en aumentar la temperatura del agua, ¿a dónde está yendo todo ese calor? Excelente pregunta.
Una parte del calor de nuestra llama se invertirá en que la temperatura no se reduzca. El resto del calor proporcionado por el fuego se invierte en que el agua cambie de estado líquido a estado gaseoso, es decir, que en vez de aumentar la temperatura de nuestro líquido, ese calor se empleará en que las moléculas de agua escapen en forma de vapor. De acuerdo con esto, cuanto mayor sea el calor aplicado por nuestra llama, la velocidad a la que se evapora el agua también será mayor. ¿Cómo podemos comprobar esto? Fácil. Si cuando el agua hierve bajamos la intensidad del fogón, el agua borboteará con menos vigor al disponer de menos energía y ocurrirá lo opuesto al aumentar la intensidad. Pero recuerda, la temperatura se mantendrá constante y esto se debe a las leyes de la termodinámica.
En nuestra cazuela tenemos el agua en dos estados: líquido y vapor. En un sistema como este, en el que dos estados distintos coexisten a presión constante, tanto el agua líquida como el vapor de agua deben tener la misma energía libre de Gibbs. Lo importante de esta energía es que si la presión o la temperatura cambian, también cambiará la energía libre del sistema. Si la temperatura fuese mayor en alguno de los dos estados, las energías de Gibbs serían distintas, pero las leyes de la termodinámica no permiten esto, por lo que la temperatura debe mantenerse constante mientras ambos estados coexistan.
Para los escépticos os propongo un experimento muy sencillo. Poned a calentar agua en una cazuela y medid la temperatura cada 30 segundos. Yo realicé este experimento en mi casa y podéis ver como cambia la temperatura en función del tiempo en la siguiente figura. Cuando el agua comienza a hervir la temperatura se mantiene constante. ¡Eureka! ¡Hemos comprobado nuestra hipótesis!
Nota: para hacer este experimento no vale cualquier termómetro. Es muy importante que el termómetro se pueda sumergir en agua y soporte al menos hasta 100 grados, como por ejemplo un termómetro de cocina.
¿Y esto para qué puede servir? Pues para lo que al parecer más nos importa: para ahorrar dinero. Uno de los factores más importantes a la hora de cocinar es la temperatura, cuanto mayor sea esta antes se cocinarán nuestros alimentos. Como ya sabemos que el agua estará a 100 grados siempre y cuando esté hirviendo, nuestros espaguetis se cocinarán igual de rápido aunque tengamos el fuego más bajo. Ya podemos echar nuestros espaguetis a la cazuela para que se hagan.
Quizás algunos os preguntéis, «y si quiero cocinar más rápido ¿qué puedo hacer?». La respuesta es fácil, conseguir aumentar la temperatura del agua. He de confesar que antes no he sido completamente sincero, porque el agua hierve a distinta temperatura dependiendo de la presión del aire que la rodea. En regiones altas donde la presión atmosférica es menor, la temperatura de ebullición es más baja. Por ejemplo, la ciudad de La Paz (Bolivia) está a unos 3700 metros de altura sobre el nivel del mar y allí el agua hierve a 90 grados. Siguiendo este razonamiento, solo tenemos que aumentar la presión del aire que rodea al agua lo suficiente para que la temperatura sea significativamente más alta, digamos unos 120 grados. ¡Acabamos de redescubrir la olla express!
Las ollas express cocinan más rápido que las tradicionales porque son capaces de alcanzar mayores temperaturas por medio de aumentar la presión en su interior. Al colocar la tapa de la olla express evitamos que parte del vapor de agua escape y esto aumenta la presión dentro de la olla porque hay más gas en el mismo volumen. Como consecuencia del aumento de presión, la temperatura de ebullición del agua es mayor, lo que permite alcanzar temperaturas más altas y cocinar nuestra comida más rápido. Por cierto, nunca es una buena idea intentar manipular la válvula de escape de las ollas porque es el elemento de seguridad que evita que explote por tener demasiada presión.
Ya tenemos nuestros espaguetis listos. Ahora lo más importante ¿se deben partir los espaguetis a la mitad antes de cocerlos? ¡Qué aproveche!
P.D.: los más observadores os habréis dado cuenta que en la primera figura la temperatura de ebullición del agua no llega a 100 grados. Teniendo en cuenta lo que hemos aprendido en la figura 2, ¿sabríais decir porqué ocurre esto?
Glosario
Termodinámica: Rama de la física que estudia sistemas compuestos por muchas partículas que están en equilibrio. En vez de considerar las propiedades de cada una de las partículas para comprender todo el sistema, la termodinámica utiliza magnitudes macroscópicas, como la presión o la temperatura, para describir el sistema.
Energía libre de Gibbs: Cantidad de energía de la que dispone un sistema termodinámico a una temperatura y a una presión constantes.
Para saber más
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En el post hablábamos de cómo afecta la presión a la temperatura de ebullición del agua. Si se disminuye la presión lo suficiente, podemos conseguir que el agua hierva a temperatura ambiente. Mira este vídeo.
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Aquí tenéis otro vídeo, donde además se explica cómo funcionan algunos electrodomésticos de nuestras cocinas.
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Cocina y ciencia van de la mano. Si queréis saber más sobre qué ocurre cuando se cocinan los alimentos echad un ojo a este pequeño resumen.