El rincón de la Ciencia nº 20 (Febrero-2003)
Dispositivos que generan frío y calor  (RC-55)


P. Rodríguez Marqués

Bolsas de frío y de calor

En algunos botiquines de emergencia aparecen unas bolsas de plástico que se utilizan para la preparación de compresas instantáneas FRIAS y CALIENTES. Se pueden encontrar en las farmacias y son útiles para proporcionar los primeros auxilios a los deportistas y atletas que sufren un golpe o determinadas lesiones que necesitan de la aplicación inmediata de frío o calor.

Estas compresas constan de una bolsa de plástico que contiene otra bolsa más pequeña, con agua, y una sustancia química en forma de polvo o cristales. Al golpear el paquete con el puño se rompe la bolsa interior que contiene el agua y la sustancia se disuelve. La bolsa comienza a calentarse o a enfriarse, según el caso, de forma muy rápida. La temperatura aumenta o disminuye dependiendo de que el proceso de disolución de la sustancia sea exotérmico o endotérmico.

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Bebidas autocalentables

También se encuentran en el mercado botes de bebidas (café, chocolate, té, sopas, etc) que se autocalientan muy rápidamente, sin necesidad de llamas u otros sistemas de calefacción externa. Son útiles para poder disponer de bebidas calientes en el campo, la montaña, zonas desérticas, etc. El sistema es muy parecido al de las bolsas del apartado anterior y consta de dos depósitos: en uno va envasada la bebida que vamos a tomar y en otro una sustancia química junto con una pequeña cantidad de agua (separados por una membrana). Al disolverse en agua, esa sustancia genera gran cantidad de calor. Los depósitos están separados de forma que la sustancia química no puede entrar en contacto con la bebida. El bote lleva un botón que al presionarlo rompe una membrana y permite que el agua entre en contacto con la sustancia química que al disolverse genera calor.

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          Esquema de un bote de café autocalentable

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Pero no sólo se limita a las bebidas, también se pueden encontrar latas de conservas que incorporan el dispositivo y permiten tomar una comida caliente en situaciones difíciles. Como en todos los casos hace falta incorporar una cierta cantidad de agua, existen dispositivos que ya lo llevan incorporado como los que hemos descrito y otros que permiten incorporarlo en el momento en que se quiera provocar el efecto.

También pueden encontrarse bebidas que se autoenfrían. El mecanismo es el mismo lo único que cambia es la sustancia química que provoca el efecto.

¿Cómo funcionan?

Cómo hemos dicho, la base del proceso está en el calor que se genera o que se absorbe cuando se disuelve una sustancia química. En general, para las compresas calientes y las bebidas autocalentables se utiliza cloruro de calcio o sulfato de magnesio, mientras que para las compresas frías o para enfriar bebidas se utiliza nitrato de amonio.

Experimentalmente se ha comprobado que mezclando 100 ml de agua con 40 g de cloruro de calcio (CaCl2) la temperatura del sistema puede subir desde 20 ºC a 90 ºC. Se trata de un proceso muy exotérmico. Esto mismo ocurre con otras sustancias químicas, por ejemplo con el sulfato de cobre (anhidro). En el caso de las disoluciones emdotérmicas (absoben calor y, por tanto, baja la temperatura) también se ha comprobado experimentalmente que cuando se disuelven 30 g de nitrato de amonio (NH4NO3) con 100 ml de agua, la temperatura del sistema puede descender desde 20 ºC hasta 0ºC. En proporción 1:1 se ha llegado a temperaturas de -7 ºC.

Disoluciones endotérmicas y exotérmicas

Cuando se disuelve un soluto en un disolvente, en general, se produce un intercambio de energía que se manifiesta en un aumento o disminución de la temperatura del sistema. El calor absorbido o liberado se denomina calor de disolución. Si el proceso de disolución es exotérmico, se libera calor y la temperatura del sistema aumenta. Si el proceso es endotérmico, se absorbe calor y la temperatura del sistema disminuye.

En una disolución exotérmica la energía del disolvente más la del soluto, por separado, es mayor que la energía del disolvente y el soluto una vez mezclados. La diferencia de energía es lo que conocemos como calor de disolución o entalpía de disolución (cuando el proceso tiene lugar a presión constante). En este caso es una entalpía negativa, puesto que en el estado final el sistema tiene menos energía que el inicial.

En una disolución endotérmica ocurre lo contrario, la energía del estado inicial (soluto y disolvente por separado) es menor que la energía del estado final (la disolución). Por tanto, la entalpía es positiva.