Tema 24: Las explosiones

La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido y gas. El estado de una sustancia depende de la presión y de la temperatura a la que se encuentre.

En las condiciones de la superficie terrestre, pocas sustancias aparecen de forma natural en los tres estados; el agua es una de ellas. Lo habitual es que cada sustancia se encuentre en uno concreto: los metales y los minerales, sólidos; el oxígeno o el CO2, gaseosos.

Diagrama de fases. Representa, para cada combinación de presión y temperatura, en qué estado está una sustancia. Hay amplias zonas con una sola fase y unas curvas de transición donde conviven dos fases; sobre esas curvas se producen los cambios de estado.

• La curva líquido-vapor termina en el punto crítico.

• Las tres curvas se cortan en el punto triple: el único par presión-temperatura en el que pueden convivir sólido, líquido y gas.

El caso del agua. Su curva sólido-líquido desciende al aumentar la temperatura: si se aumenta la presión a temperatura constante, el hielo se funde. Esto significa que el hielo es menos denso que el agua líquida, algo poco habitual: en la mayoría de las sustancias el sólido es más denso que su líquido.

Si se calienta hielo a presión constante (por ejemplo, a una atmósfera desde −30 ºC):

• Al llegar a la curva sólido-líquido empieza a fundirse: es el punto de fusión, propio de cada sustancia. Para el agua pura, 0 ºC a presión atmosférica normal. Durante toda la fusión la temperatura se mantiene, porque la energía absorbida se emplea en cambiar de estado.

• Fundido todo el hielo, el agua se calienta hasta la curva líquido-vapor, donde hierve: es el punto de ebullición, que para el agua es 100 ºC a la presión atmosférica normal.

Datos del agua: punto triple a 0,01 ºC y 0,00603 atm; punto crítico a 374 ºC y 218 atm.

Las moléculas de un líquido se mueven de forma desordenada, con una energía cinética media que depende de la temperatura. Algunas llegan a tener energía suficiente para vencer la atracción de las demás y escapar por la superficie: el líquido se evapora. En un recipiente abierto, esas moléculas se pierden.

En un recipiente cerrado, unas moléculas se evaporan y otras vuelven al líquido (se condensan), hasta que ambos ritmos se igualan. En ese equilibrio, el vapor ejerce sobre el líquido una presión llamada presión de vapor a esa temperatura. Si sube la temperatura, más moléculas pasan a gas y la presión de vapor aumenta; representada frente a la temperatura, da la curva líquido-vapor del diagrama de fases.

Ebullición. En un recipiente abierto, un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la presión exterior. El punto de ebullición normal es la temperatura a la que la presión de vapor vale una atmósfera.

• Con menor presión exterior, el líquido hierve a menos temperatura de lo normal.

• Con mayor presión exterior, hierve a más temperatura.

Sustancias volátiles. Son las que a temperatura ordinaria (25 ºC) tienen una presión de vapor alta; se evaporan rápidamente y tienen puntos de ebullición bajos.

Gas y vapor. Ambos son el mismo estado (gaseoso), pero la temperatura crítica los separa por su comportamiento al comprimirlos:

• Por debajo de la temperatura crítica, si se aumenta la presión a temperatura constante, la sustancia se condensa: es un vapor. Si se baja la presión, se evapora más líquido.

• Por encima de la temperatura crítica, la sustancia puede comprimirse a temperatura constante sin licuarse: es un gas.

Un gas queda descrito por cuatro propiedades: cantidad de gas, volumen, presión y temperatura. Fijadas tres, la cuarta solo puede tomar un valor, que se calcula con la ecuación de estado.

Ley de Boyle (presión-volumen). A temperatura constante, el volumen de una cantidad de gas es inversamente proporcional a su presión:

P · V = constante, es decir, P1 · V1 = P2 · V2

Primera ley de Gay-Lussac o de Charles (volumen-temperatura). A presión constante, el volumen de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta, medida en kelvin (K):

V / T = constante, es decir, V1 / T1 = V2 / T2

Segunda ley de Gay-Lussac (presión-temperatura). En un recipiente cerrado a volumen constante, la presión es directamente proporcional a la temperatura absoluta:

P / T = constante, es decir, P1 / T1 = P2 / T2

Ley de Avogadro (volumen-cantidad). Al inflar un globo, cuanto más aire se mete, más volumen ocupa: el volumen depende también de la cantidad de gas. La ley establece que dos gases a la misma presión, temperatura y volumen contienen el mismo número de moléculas. A presión y temperatura constantes:

V / n = constante, es decir, V1 / n1 = V2 / n2, donde n es la cantidad de gas en moles.

Ecuación de los gases ideales. Combinando las leyes anteriores, el volumen crece con la cantidad de gas y con la temperatura, y disminuye cuando aumenta la presión:

P · V = n · R · T

R es la constante de los gases ideales, 0,082 atm·litro/(mol·K). Relaciona las cuatro variables, de modo que:

P1·V1 / (n1·T1) = P2·V2 / (n2·T2), y si no cambia la cantidad de gas, P1·V1 / T1 = P2·V2 / T2

El oxicorte sirve para soldar o cortar metales con una llama muy energética que un soplete aplica sobre la pieza. La llama procede de quemar de forma continua una mezcla de oxígeno y un gas combustible, normalmente acetileno. Supera los 3.000 ºC y permite cortar espesores de más de 200 mm.

Componentes. Dos botellas a presión (oxígeno y acetileno), cada una con su manorreductor, de las que salen mangueras hasta el punto donde se mezclan los gases: roja para el acetileno y azul para el oxígeno (la naranja es para el GLP y la negra para el aire o gases inertes, UNE-EN ISO 3821) (en general, roja para combustible y azul para oxígeno; nunca deben intercambiarse). En las conducciones van las válvulas antirretroceso, que solo dejan pasar el gas en un sentido e impiden que la llama retroceda hacia las botellas.

Protección del operador: gafas de soldadura que filtren las radiaciones dañinas y el EPI del fabricante; si no lo especifica, el equipo de intervención completo (casco, verdugo, chaquetón, cubrepantalón, guantes de fuego y botas), con manguitos, polainas y mandil de cuero.

Botellas. Su almacenamiento y utilización se rigen por la ITC MIE APQ-5 («Almacenamiento de gases en recipientes a presión móviles»), aprobada por el Real Decreto 656/2017, y su identificación, por el Reglamento de equipos a presión (Real Decreto 809/2021). Normas básicas:

• Se colocan en lugares estables, sin combustibles cerca y bien ventilados; nunca en sótanos, locales subterráneos, huecos de escalera o pasillos.

• Se protegen del hielo, la nieve y el sol.

• El acetileno es explosivo en contacto con plata, mercurio y aleaciones con más del 70 % de cobre, así que las conducciones no pueden ser de esos materiales.

• Según el art. 4.1 de la ITC EP-6 del Real Decreto 809/2021, las botellas se identifican conforme a la norma UNE-EN 1089-3 (código de colores): el cuerpo de la botella ya no tiene color fijo y el riesgo se identifica por el color de la ojiva y la etiqueta. La ojiva del acetileno pasa de marrón a marrón teja; la del oxígeno sigue siendo blanca. La botella de oxígeno suele ser de 50 L a 200 kg/cm².

• Deben estar a 5-10 m de la zona de trabajo.

• No se agotan del todo, por el riesgo de retroceso de llama.

• Se almacenan en vertical, separando llenas y vacías, y no se manipulan con manos o guantes grasientos. La botella de acetileno puede almacenarse a presiones de hasta unos 15 bar (15 kg/cm²): pese a ser un gas muy inestable, lo permiten el diseño de la botella y la acetona que contiene, en la que va disuelto.

Manorreductores. Mantienen el caudal con mínimas variaciones de presión. Tienen dos manómetros: el de alta, que marca la presión de la botella, y el de baja, regulable, que mide la salida al soplete. Normas: sin restos de grasa (el oxígeno la inflama), apertura progresiva, no apretarlos en exceso a la botella, aflojar el regulador de baja al mínimo al terminar y buscar fugas con agua jabonosa. La presión de trabajo de cada gas se ajusta al espesor y al soplete.

Montaje. Primero se conectan los manorreductores a las botellas, tras purgar el grifo para expulsar impurezas; las botellas deben llevar al menos 12 horas en posición vertical antes de usarse. Después se conectan las mangueras a los manorreductores y al soplete.

El soplete tiene dos conexiones de manguera, dos llaves de regulación, inyector, cámara de mezcla y boquilla. Antes de encender se purga cada manguera con su gas y se comprueba que la boquilla esté limpia y sea la adecuada al corte.

Encendido: se ajustan las presiones de trabajo en los manorreductores; se abre primero, un poco, la válvula de oxígeno y luego, más, la de acetileno; se prende la mezcla (mejor con chispero que con llama) y se regula hasta lograr el dardo adecuado.

Apagado: se cierra primero la válvula de acetileno y después la de oxígeno. El soplete nunca se cuelga de las botellas, ni siquiera apagado.

Si fallan las antirretroceso y la llama retrocede:

• Cerrar la llave del oxígeno, cortando la llama interna.

• Cerrar la del acetileno y después las de ambas botellas.

• Si arde el grifo de la botella de acetileno, intentar cerrarlo; si no se logra, apagarlo con extintor de nieve carbónica o de polvo.

• Después de un retroceso o de un fuego en el grifo, vigilar que la botella no se caliente sola.

Sustitución del acetileno por butano. Muchos servicios han cambiado la botella de acetileno por una de butano por tres razones:

• Peligro en el transporte: el acetileno va disuelto en acetona y embebido en una masa porosa que frena su descomposición explosiva y evita que la botella estalle; una botella de acetileno afectada por el fuego es mucho más peligrosa y tiene protocolo específico.

• Disponibilidad: el butano o el propano se recargan con facilidad en estaciones de servicio, incluso en festivos.

• Poder calorífico similar: el del acetileno es de 11.526 kcal/kg y el del butano de 10.840 kcal/kg, suficiente para los cortes habituales.