Enfriamiento del agua contenida en un botijo

sín títuloSe ofrece información sobre la explicación del enfriamiento del agua contenido en los botijos y, en general, en cualquier otro recipiente de cerámica porosa.

 Esta investigación se realizó con un carácter pedagógico, para facilitar el aprendizaje, a nivel universitario, de conceptos de una gran variedad de temas, como son balance de calor y de materia, termodinámica, ecuaciones diferenciales y métodos numéricos, con interés para alumnos de Ciencias e Ingenierías. La temática abarcada puede ser también de interés para el público general, así como para que profesores de bachillerato y educación secundaria planteen actividades educativas.

Los resultados se recogieron en la publicación: J.I. Zubizarreta, G. Pinto, “An ancient method for cooling water explained by means of mass and heat transfer, Chemical Engineering Education, Vol. 29, pp. 96-99 (1995).

 

Alcanzó cierta repercusión informativa en España al realizar un reportaje al respecto el periodista Antonio Jiménez (EL PAÍS, 24 de agosto de 1994).

Introducción:

En algunos libros de Física y Química se encuentran referencias al efecto térmico que experimenta el agua contenida en un botijo (o, en general, cualquier recipiente de cerámica porosa), como ejemplo de enfriamiento por evaporación. En otras palabras, el "funcionamiento" de un botijo se ha considerado bien entendido desde hace años: debido a la porosidad de la cerámica, se exuda agua al pasar a través de los poros (por capilaridad), que al evaporarse toma el calor latente de vaporización del agua de su interior, consiguiendo que ésta se enfríe. La temperatura más baja a la que puede llegar el aire por evaporación del agua en su seno o temperatura húmeda del aire, determinará la temperatura mínima teórica que puede alcanzar el agua contenida en un botijo. Esta temperatura depende de la temperatura del aire, de la humedad relativa y de la presión atmosférica. En todo caso, además del enfriamiento que se produce a medida que se evapora el agua, se produce un calentamiento debido al propio aire (más caliente) que rodea al agua del botijo.

La propia definición del término botijo por el Diccionario de la Lengua Española de la Real Academia lo describe como "vasija de barro poroso que se usa para refrescar agua".

De esta forma, el efecto cualitativo de enfriamiento del agua está bien comprendido. Lo que no llegamos a encontrar en la revisión bibliográfica que hicimos en los años noventa fue algún trabajo donde se cuantificase la variación de temperatura del agua contenida en un botijo.

De esta manera, para que un botijo sea eficiente, requiere transpirar el agua y encontrarse en un ambiente seco. Esta situación, característica del clima mediterráneo, con veranos secos, supone una cierta rareza climática ya que, en el resto del mundo, con algunas excepciones, los veranos son húmedos y, en ellos, el botijo no tendría tanto sentido, porque el agua no se enfriaría. En la siguiente figura, se muestran en rojo las zonas donde el botijo tiene más sentido a nivel climático.

Dibotijopl3

 

Resultados experimentales:

Brevemente, y tras unos ensayos previos, el experimento que realizamos y que se recogió con más detalle en el artículo ya citado fue el siguiente:

En un botijo clásico se introdujeron 3,2 litros de agua a 39ºC y se sometió a un ambiente con esa misma temperatura y humedad relativa del 42%. Cada cierto tiempo se midió la masa total del botijo (para evaluar así la masa perdida por evaporación) y la temperatura del agua. Se observó que, en unas 7 horas el agua se enfría 15ºC, alcanzando los 24ºC. A partir de ese momento, el agua empieza a calentarse muy lentamente y, en la fase final, al cabo de tres días, la temperatura de las últimas gotas que quedan de agua es prácticamente la temperatura del ambiente. Se sugiere ver en el artículo original, citado al principio, los detalles y figuras de las variaciones con el tiempo de la masa de la temperatura del agua.

Ecuaciones:

El modelo seguido, que se encontró válido para explicar los resultados experimentales, supone una geometría esférica para el botijo, y se basa en procesos de transferencias de calor y masa bien conocidos.

El esquema del modelo seguido es el siguiente:

Dibotio2

Dos ecuaciones diferenciales describen el proceso que tiene lugar:

Ecuacion1

Ecuacion2

donde las magnitudes implicadas son:

V, volumen o masa de agua

CP, capacidad calorífica del agua

T ó q, temperatura del agua

t, tiempo

hC, coeficiente de convección

a, superficie externa del agua

TG ó qG, temperatura del aire

TS ó qS, temperatura de la superficie del agua

fe s, coeficiente de radiación de calor

4p r2, superficie total del botijo

s, superficie del agua en contacto con el aire

U, coeficiente de transmisión de calor del agua

lW, calor de vaporización del agua

K', coeficiente de transferencia de masa para el agua

HS, humedad de saturación

H, humedad del aire

Para facilitar la comprensión de lo expuesto, lo presentamos en estas dos figuras:

Modelo geométrico y cuantificación de la velocidad de evaporación del agua:

                   Imagen1.jpg

         Variación térmica del agua con el tiempo:

                   Imagen2.jpg

Algunos enlaces sobre el tema:

En septiembre de 2014 Google recoge cerca de seiscientas mil direcciones Web donde se encuentra el término “botijo”. Muchas de ellas se refieren de alguna manera (incluida Wikipedia) al trabajo que se ha resumido en esta dirección y que se suele resumir como “La fórmula del botijo”. Aunque hay de todo (como información sobre camisetas con la fórmula, figuras variadas, etc.), muchas de ellas son discusiones sobre la termodinámica del proceso o explicaciones sobre distintos aspectos relacionados con la alfarería. Entre todas ellas destacamos, para completar la perspectiva del tema, las siguientes:

-          Artículo donde se detalla el mapa mundial de potenciales áreas del uso del botijo, realizado por D. Andrés Martínez de Azagra y D. Jorge del Río, de la Universidad de Valladolid. World map of potential areas for the use of water cooling pitchers (botijos), Journal of Maps, en prensa.

-          Detalles sobre la termodinámica del botijo. Por ejemplo, se explica qué es la temperatura húmeda del aire y su importancia en el tema. Autor: D. Jesús Soto.

-          La cerámica del agua y su relación con la aridez. Trabajo de D. Alberto Linés Escardó, realizado en 1983, donde explica aspectos variados sobre los botijos: historia de la alfarería, tipos de arcilla, termodinámica del proceso de enfriamiento, geometría, influencia del clima (predicción de tipos de tormentas, etc.).

-          Una aplicación del trabajo descrito para alumnos de Educación Secundaria: Evaluación de diagnóstico diseñada en la Consejería de Educación, Ciencia y Cultura de Castilla- La Mancha en 2011.

http://www.ecoterra.org/bd_imagenes/0000494.jpg   Botijos contra el cambio climático: propuesta de la Fundación Tierra.

-          Ilustración del proceso de fabricación de objetos de cerámica

-          Museu del càntir de Argentona (Barcelona)

-          Museo del botijo de Villena (Alicante)

-          Museo del botijo de Toral de los Guzmanes (León)

Una aplicación muy interesante de este fenómeno térmico la desarrolló el profesor nigeriano Mohammed Bah Abba (1964-2010), quien ideó un “frigorífico sin electricidad” que funciona al disponer dos recipientes de cerámica porosa separados de arena humedecida. Con ello consigue un descenso de temperatura que favorece la conservación de alimentos; cuestión vital para los habitantes de su entorno desértico. Se informa sobre esto en las páginas Web de los premios Rolex. Se recogen aquí más detalles sobre el trabajo del Prof. Abba y algunas fotografías con su invención. Sirva como un modesto homenaje a su memoria.

http://www.rolexawards.com/laureates/img/laureate10006.jpg

 

 

 

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libroEl libro “Si Galileo levantara la cabeza”, publicado por Óscar Giménez el año 2004,  contiene más de doscientos ejemplos de investigaciones curiosas y divertidas que, con rigor científico, están publicadas en revistas biomédicas.
Óscar Giménez es licenciado en historia y periodista y redactor jefe de la revista JANO, Medicina y Humanidades. La introducción a su libro se titula “la culpa fue del botijo”, y alude en  ella  a que fue el conocimiento sobre  la investigación desarrollada acerca del efecto térmico del botijo la que le motivó, hace unos años, a pensar en la edición de un libro de esas características.

 

Esta información está preparada por los profesores:

  Gabriel Pinto Cañón

José Ignacio Zubizarreta Enríquez

Última actualización: 5 de septiembre de 2014