Punto de ebullición del agua al vacío: calculadora y tabla de presión de vapor

El agua hierve cuando su presión de vapor es igual a la presión que actúa sobre ella. Si baja la presión, el agua hierve a menor temperatura: a 1013,25 mbar (presión atmosférica normal) hierve a 99,97 °C; a 200 mbar, a 60,1 °C; a 100 mbar, a 45,8 °C; a 50 mbar, a 32,9 °C, y a 10 mbar, a 7,0 °C.

La misma curva se puede leer al revés: la presión de vapor a una temperatura es la presión a la que hierve el agua que está a esa temperatura. El agua a 20 °C tiene una presión de vapor de 23,4 mbar. Si la presión en un recipiente baja de ese valor, el agua a temperatura ambiente empieza a hervir.

Todas las presiones son absolutas. Si un manómetro indica la presión relativa al ambiente, conviértala primero en presión absoluta. El conversor de unidades cambia las unidades de presión, y en la vista general de calculadoras encontrará más herramientas.

Temperatura de ebullición del agua pura a presiones absolutas habituales. Por debajo de la presión del punto triple, 6,11657 mbar, no existe agua líquida estable; por eso las últimas filas dan la temperatura a la que sublima el hielo a esa presión.

Calculado con las ecuaciones de la IAPWS (véanse las fuentes) y redondeado. 1 Torr = 1/760 de la atmósfera normal = 1,33322 mbar.

Presión de vapor de −40 °C a 200 °C. Por debajo de 0,01 °C la tabla da la presión de sublimación del hielo; por encima, la presión de vapor del agua líquida.

A 0 °C, el agua subenfriada que sigue líquida tiene una presión de vapor algo mayor que el hielo: 6,1121 mbar en lugar de 6,1115 mbar. Por encima de 99,97 °C la presión de vapor supera la presión atmosférica normal: el agua solo sigue líquida con sobrepresión, como en una caldera.

El gráfico muestra la presión en escala logarítmica frente a la temperatura. A la izquierda del punto triple está la curva de sublimación del hielo; a la derecha, la curva de ebullición del agua. Por encima de las curvas el agua es sólida o líquida; por debajo, gaseosa.

En el punto triple, a 0,01 °C y 6,11657 mbar, el hielo, el agua líquida y el vapor de agua están en equilibrio. A presiones más bajas no hay agua líquida estable: el hielo pasa directamente a vapor. Este paso se llama sublimación.

En ello se basa la liofilización. El producto congelado se mantiene a una presión inferior a la presión de sublimación de su hielo, por ejemplo por debajo de 1,03 mbar a −20 °C o de 0,13 mbar a −40 °C. El vapor fluye hacia una superficie aún más fría, el condensador, donde vuelve a congelarse. El calor de sublimación hay que aportarlo desde fuera; de lo contrario, el producto sigue enfriándose y el secado se ralentiza.

Para este rango la calculadora usa la ecuación de la IAPWS para la presión de sublimación del hielo (válida desde 50 K, es decir, −223,15 °C).

A presión atmosférica normal (1013,25 mbar = 760 Torr) el agua pura hierve a 99,974 °C, es decir, a 373,124 K. Este valor rige en la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90), vigente hoy, y figura en las tablas de la IAPWS. Los 100 °C son un valor redondeado.

A la inversa, a exactamente 100 °C la presión de vapor del agua es de 1014,18 mbar. La diferencia de 0,026 K no importa en la cocina, pero sí en mediciones precisas. Mucho más influye la presión del aire: donde es baja, por ejemplo en la montaña, el agua hierve claramente por debajo de 100 °C. La calculadora de arriba da el valor para su presión.

Secado al vacío

Al vacío el agua se evapora a baja temperatura: a 50 mbar hierve ya a 32,9 °C. Así se pueden secar con cuidado productos sensibles al calor. El calor de evaporación hay que aportarlo igualmente: sin calefacción, el material se enfría hasta que su presión de vapor iguala la presión de la cámara.

Desgasificación de líquidos

Al desgasificar se quieren extraer los gases disueltos, no evaporar el agua. En cuanto la presión alcanza la presión de vapor del líquido, unos 23,4 mbar para agua a 20 °C, el agua empieza a hervir y se forma mucho vapor, que luego tiene que evacuar la bomba de vacío.

Destilación y evaporación

Al vacío baja la temperatura de ebullición: a 100 mbar el agua hierve a 45,8 °C y a 200 mbar, a 60,1 °C. Esto protege productos que no toleran temperaturas altas.

Vapor de agua en la bomba de vacío

Una bomba de vacío que descarga a la atmósfera comprime el gas aspirado hasta por encima de la presión atmosférica. Durante la compresión, el vapor de agua se condensa en cuanto su presión parcial alcanza la presión de vapor a la temperatura del interior de la bomba. En las bombas de paletas rotativas lubricadas con aceite, el condensado se mezcla con el aceite. Con el lastre de gas se admite aire durante la compresión: la mezcla de gases alcanza la presión de descarga antes de que el vapor de agua llegue a su presión de saturación, y el vapor se expulsa en lugar de condensarse. Los fabricantes indican cuánto vapor admite así una bomba como tolerancia al vapor de agua, en mbar.

Las bombas de anillo líquido trabajan con un líquido de servicio, normalmente agua. La presión de aspiración alcanzable está entre la presión atmosférica y la presión de vapor de ese líquido. El agua a 15 °C tiene una presión de vapor de 17,1 mbar; la presión que se alcanza en la práctica es mayor. Un condensador delante de la bomba puede retirar el vapor antes de que llegue a ella.

Más información: bombas de vacío de paletas rotativas lubricadas con aceite, bombas de vacío de anillo líquido, bombas de vacío de tornillo y la vista general de bombas de vacío. Para una aplicación con mucho vapor de agua, contacte con nosotros.

Para el agua líquida entre 0,01 °C y 373,946 °C la calculadora usa las ecuaciones de saturación de la formulación industrial IAPWS-IF97 (ecuaciones 30 y 31). Ambos sentidos proceden de la misma ecuación y son totalmente coherentes entre sí. Reproducen el punto triple (273,16 K; 611,657 Pa), el punto de ebullición normal y el punto crítico (647,096 K; 22,064 MPa).

p_s = 1 MPa · (2C / (−B + √(B² − 4AC)))⁴ con A = ϑ² + n₁ϑ + n₂, B = n₃ϑ² + n₄ϑ + n₅, C = n₆ϑ² + n₇ϑ + n₈ y ϑ = T/K + n₉ / (T/K − n₁₀)

Por debajo del punto triple usa la ecuación de la IAPWS para la presión de sublimación del hielo Ih (publicación R14-08, válida de 50 K a 273,16 K). Para el sentido inverso, de la presión a la temperatura, la ecuación se resuelve numéricamente.

ln(p_subl / 611,657 Pa) = θ⁻¹ · (a₁θ^b1 + a₂θ^b2 + a₃θ^b3) con θ = T / 273,16 K

Exactitud: la IAPWS estima la incertidumbre de la ecuación de presión de saturación en aproximadamente ±0,05 % como máximo (IAPWS-IF97, fig. 6). Para la presión de sublimación, la incertidumbre expandida es del 0,0011 % en el punto triple, de alrededor del 0,08 % a −20 °C y de alrededor del 0,17 % a −40 °C. La calculadora muestra seis cifras significativas; las últimas van más allá de la exactitud de las ecuaciones.

Comprobación cruzada: la ecuación de presión de vapor de Wagner y Pruß (IAPWS SR1-86) difiere de IF97 como máximo un 0,010 % entre 0,01 °C y 100 °C, y como máximo un 0,018 % hasta el punto crítico (a 187 °C). Eso equivale como máximo a 0,008 K en la temperatura de ebullición.

Valores de comprobación: antes de redondear a seis cifras, el cálculo coincide con los valores de comprobación de la IAPWS en todas las cifras publicadas, por ejemplo 3,53658941 kPa a 300 K (se muestra 3,53659 kPa), 372,755919 K a 0,1 MPa = 1 bar (se muestra 372,756 K) y 8,94735 Pa sobre hielo a 230 K.

1. IAPWS R7-97(2012): Revised Release on the IAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam (IAPWS-IF97). Sección 8, ecuaciones (29) a (31), tablas 34 a 36, fig. 6; punto triple ecuación (9), punto crítico ecuaciones (2) y (3). iapws.org
2. IAPWS R14-08(2011): Revised Release on the Pressure along the Melting and Sublimation Curves of Ordinary Water Substance. Ecuaciones (1) y (6), tabla 3, fig. 2 y ecuación (7a). iapws.org
3. IAPWS SR1-86(1992): Revised Supplementary Release on Saturation Properties of Ordinary Water Substance (Wagner y Pruß). Ecuación (1) y tabla 1, punto de ebullición normal 373,1243 K a 0,101325 MPa. iapws.org
4. NIST Special Publication 811 (edición de 2008), apéndice B.8: bar, mbar y atmósfera normal (factores exactos); tabla 11: 1 Torr = (101 325/760) Pa; apartado 4.2.1.1: temperatura Celsius t = T − 273,15 K. nist.gov
5. Leybold, Fundamentals of Vacuum Technology: What is a gas ballast and how does it work? Lastre de gas, condensación del vapor de agua en bombas lubricadas con aceite, tolerancia al vapor de agua en mbar. leybold.com
6. Atlas Copco: Liquid ring vacuum pump working principle. Presión de aspiración alcanzable entre la presión atmosférica y la presión de vapor del líquido de servicio. atlascopco.com