La física de enfriar una cerveza

Poner una cerveza en el congelador parece una buena idea, porque es la forma más rápida que tenemos en casa de acercarla a los ideales 2 grados Celsius. Sí, los expertos dicen que cada tipo de cerveza se debe tomar a una temperatura distinta, pero simplifiquemos en que nos gusta la cerveza fría.

El fermentado de cebada está formado por un 94% agua, y un 5% alcohol. Más o menos. Al enfriarse, lo que está sucediendo a nivel microscópico es que las moléculas pierden energía cinética y vibran menos (los new agers arruinaron la palabra vibrar, pero acá es de verdad), por lo que ocupan menos lugar, y disminuye su volumen. Pero el agua tiene una característica única. Al llegar al punto de congelación, las moléculas empiezan a ordenarse en forma de cristales, y ¡sorpresa! el hielo ocupa un 9% más de lugar que el líquido. Pero acá juega otra cosa, la cerveza ya estaba bajo presión por el gas. Al aumentar el volumen del líquido, la presión interna aumenta más aun, y disminuye la temperatura de congelación, por lo que el proceso se enlentece un poco.

El vidrio es un material duro y frágil, que soporta mucha fuerza, pero se flexiona muy poco antes de romperse. Y con las fuerzas intermoleculares del agua no se jode. Sobretodo porque en el freezer hace -18°C, y le sigue chupando energía a la cerveza, que ya está bajo cero.

En algún momento entre 0 y -5°C, un par de moléculas se acomodan (nucleación) en forma de redes cristalinas que crecen de forma geométrica (cristalización), hasta que su aumento de tamaño no puede ser resistido por el vidrio, y explota todo.

La explosión se produce cuando una pequeña parte de la cerveza está congelada. Lo que significa que gran parte sigue en estado líquido y se desparrama. Pero fuera de la botella, la presión es menor, por lo que el punto de congelación en vez de ser (digamos) -3°C, vuelve a ser 0°C. Y esto, sumado a que el líquido se está moviendo, acelera el congelamiento y ayuda a que no se forme una pileta de cerveza en el congelador, sino más bien una especie de explosión congelada, o una obra de arte contemporáneo estilo Homero Simpson.

Agua superenfriada que se congela al encontrarse con hielo

¿Cómo enfriar la cerveza rápido y con menos riesgo?

Una opción es dejarla sólo un par de horas en el freezer, y sacarla justo antes del desastre. Si hacemos esto, hay que tener cuidado con el superenfriamiento. Eso pasa cuando el líquido se lleva debajo de la temperatura de congelamiento, pero (debido a que estuvo quieto), todavía no se produjo la nucleación, y la reacción en cadena de congelamiento. Si eso sucede, cuando saquemos la botella y la apoyemos en la mesa, el golpe puede disparar la nucleación y la botella nos puede explotar en la mano. O puede pasar cuando saquemos la tapa, y el culpable sea la caída de presión, en cuyo caso la botella va a vomitar granizo de cerveza.
 
1. Enfriamiento por evaporación

Considerando estos recaudos, vamos a preguntarle a la física otras técnicas para acelerar el proceso. Una cosa que vi en repetidas ocasiones en las redes sociale, es envolver la botella con un paño húmedo. Esto sirve para usar el fenómeno de la evaporación igual que nuestro cuerpo.

Spoiler: parece lindo pero no sirve

 
La evaporación es un fenómeno bastante más complejo del que aprendimos en la escuela. Siempre supimos que el agua se evapora a 100°C, sí, pero, ¿por qué entonces se secan los charcos de agua en la calle? Si hacemos mucho zoom en el charco, vamos a ver que no todas las partículas tienen la misma energía, algunas tienen más que otras, y constantemente se la están transmitiendo a sus vecinas.

Para ponerlo en números de una forma un tanto burda y no tan correcta. Si la temperatura ambiente es de 24°C, es de esperarse que la del charco a la sombra (en promedio) también lo sea. Pero no todas las moléculas están a 24°C. Hay muchas a 24, pero algunas a 23 y otras a 25. Quizás haya alguna a 22 y otra a 26.

Si se da la circunstancia de que alguna partícula con mucha energía esté en el borde del charco, y en contacto con el aire, puede suceder que su energía sea mayor que la de la tensión superficial que la retiene, y de un salto hacia el aire. Nuestro charco perdió una molécula, y una con mucha energía, por lo que su temperatura promedio bajó un poquito.

Esto es el fenómeno de enfriamiento por evaporación, y nuestro cuerpo lo conoce, y por eso transpiramos cuando hace calor. El fenómeno funciona mejor cuanto mayor sea la diferencia térmica entre el agua y el aire. Si el agua está muy caliente, y el aire frío. Cuando hace calor, y estamos quietos y transpirados, nuestra piel le transmite un poco de calor al aire que nos rodea, por lo que estamos rodeados de una capa de aire tibio y la evaporación no es tanta. Si encendemos un ventilador, nos quitamos esa capa de aire, y facilitamos el enfriamiento por evaporación (además del enfriamiento por conducción térmica entre el aire y nosotros).

Volviendo a la cerveza, si bien en teoría es cierto que envolver una botella con un paño húmedo facilitaría este fenómeno, en la práctica no funciona tan bien. Medí dos latas iguales con y sin paño cada diez minutos, y luego de casi una hora, la diferencia era de cerca de un grado. Por lo que este fenómeno no vale la pena.

2. Enfriamiento por conducción térmica con agua salada

El calor se transmite de tres formas: por conducción (cuando dos objetos se tocan físicamente, y el más caliente pierde energía), por radiación (por la emisión de rayos infrarrojos del más caliente al más frío), y por convección (que en realidad es una forma compleja de conducción, y se da cuando un líquido o gas se calienta, aumenta su volumen, se hace más liviano, y sube, para ser reemplazado por líquido o gas frío, y se repite el proceso). [En este otro artículo nos adentramos en el tema derritiendo conejos de chocolate]

En el freezer suceden las tres cosas al mismo tiempo: la botella irradia calor, conduce al suelo, paredes y el aire, y el aire caliente sube y circula. De los tres, el más eficiente es la conducción térmica. Y funciona mejor cuanto más densos y más en contacto estén los objetos.

Las fiestas tenían razón

Entonces, la forma más rápida de enfriar una cerveza es sumergirla en un recipiente lleno de hielo, y poner agua para rellenar los huecos y aumentar el contacto entre la botella y el hielo. La mezcla de agua-hielo se estabiliza en 0°C, y en pocos minutos le va a quitar energía a la cerveza hasta que todo esté en equilibrio. Al fin y al cabo, los famosos barriles de hielo de las fiestas tienen una justificación física.


Pero si estamos aun más apurados, y queremos jugar con fuego -bueno, técnicamente con hielo-, podemos meterle sal a la mezcla. Esto sirve para que la temperatura de derretimiento del agua sea menor, y se aceleren las cosas. ¿Cuánto? Bueno, si metemos 23 gramos de sal cada 100 de agua, el hielo se va a derretir, y la temperatura de equilibrio va a ser de -21°. Quizás sea inútil usar tanta sal por dos cosas: mientras más frío, más rápido, y más fácil que la cerveza (que por suerte no tiene sal adentro), se congele y explote. Y además, los congeladores convencionales no enfrían a menos de -18°. Con sólo 5g de sal cada 100g de agua, llevamos el punto de equilibrio a -5°C.



Ahora la pregunta es: ¿Sabía todo esto yo antes de ensuciar todo el freezer? Sí. "Pero esta vez la voy a sacar justo antes". El interruptus nunca funciona bien.