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Física en la Cocina
Clave de registro: CIN2017A20262
Escuela de procedencia: Escuela Tomás Alva Edison
Autores: Alí-Ollín García Prado
Samantha Contreras Arteaga
Pablo Espinosa Argaiz
Asesores: Govea Anaya Guillermo Alberto
Zarzosa Pérez Alicia
Área de conocimiento: Ciencias Físicomatemáticas y de las Ingenierías
Disciplina principal: Física
Tipo de investigación: Experimental
Lugar: México, D.F
Fecha: 17 de febrero del 2017
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Resumen
En este trabajo se analizó la cantidad de tiempo que se requiere para calentar agua en
un horno de microondas. A partir del tiempo de calentamiento, se calculó la cantidad de
energía que se utiliza para calentar el agua y, conociendo el costo de cada unidad
energética, también se calculó la cantidad de dinero requerida para incrementar la
temperatura del agua. La información obtenida se utilizó para encontrar la cantidad de
dinero que se requiere para cocinar diferentes alimentos y además analizar la cantidad
de dinero que sirve para calentar el agua.
Palabras Clave: Microondas, calentamiento, cocción, calor, temperatura, horno
Abstract In this paper, we analyzed the amount of time that we need to heat water in a
microwave oven. From the information about heating time, we calculated the amount of
energy that is used to heat water and knowing the cost of each energy unit, we
calculated the amount of money that is required to raise the water temperature. The
obtained information was used to find the amount of money required to cook different
types of food and to analyze the amount of money required to heat water.
Keywords: Microwave, heating, cooking, heat, temperature, oven
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Introducción
Planteamiento del problema
La física es la ciencia que se encarga de estudiar las diferentes interacciones que
existen entre la materia y la energía. Una gran cantidad de fenómenos físicos
intervienen en la preparación de los alimentos que consumen las personas diariamente.
¿Es posible cuantificar la energía que se invierte en la preparación de los alimentos?
Hipótesis
La física interviene en prácticamente todas las actividades culinarias. Considerando los
tiempos de cocción así como las características térmicas tanto de los alimentos como
de los diferentes instrumentos utilizados en la cocina, es posible determinar la cantidad
de energía utilizada en la elaboración de diferentes alimentos.
Justificación y sustento teórico
La energía es la capacidad para realizar trabajo. Existen diferentes tipos de energía: la
energía mecánica depende del estado de movimiento de un cuerpo, la energía radiante
depende de la longitud de onda de la radiación emitida, la energía térmica depende de
la diferencia de temperaturas entre diferentes cuerpos. Durante la cocción, se utilizan
diversas formas de energía calorífica y radiante para lograr que la comida adquiera un
sabor y una consistencia particulares. Estos procesos, en general, implican
transferencias de energía que son objeto de estudio de la física.
Objetivos
Objetivo General
Analizar la cantidad de energía que se invierte en cada proceso para obtener la
cantidad de energía total que se invierte al cocinar.
Objetivos Específicos
Calcular la cantidad de energía necesaria para el calentamiento del agua en el horno
de microondas.
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Fundamentación teórica
Bases de termodinámica
La física es una ciencia que posee diversas ramas para cumplir con su objetivo de
estudiar las interacciones entre la materia y la energía. Una de esas ramas es la
termodinámica, la cual se encarga del estudio de la transformación de energía térmica a
energía mecánica y viceversa, es decir, la transformación de trabajo en calor.
El calor es una forma de energía, específicamente aquella energía térmica que se
transfiere de un cuerpo con alta temperatura a uno con menor temperatura, mientras
que el trabajo es una fuerza ejercida en cierta distancia o bien, un cambio en la energía
debido a una fuerza externa.
Por otra parte, la temperatura que suele confundirse como medida del calor, es una
propiedad que permite determinar si un cuerpo está en equilibrio térmico con otro. La
medida del calor no es la temperatura, sino el joule (J), aunque existen otras unidades
aparte de esta del sistema internacional, como la caloría. La caloría es una determinada
cantidad de calor que se requiere para elevar en un grado la temperatura de un gramo
de agua.
Esta definición de caloría surge del calor específico, el cual es la cantidad de calor
necesaria para elevar en un grado Celsius la temperatura. Así pues, la caloría es el
calor específico del agua. El otro calor específico necesario para esta investigación es
el del unicel, pues de este material son los vasos del experimento y equivale a 1200 !!"·!
Para la temperatura, las unidades que se utilizan para su medición son los grados
Celsius, los grados Fahrenheit o los Kelvin. Como la diferencia que existe entre los
puntos de ebullción y de fusión del agua es de 100 grados para la escala Celsius y
Kelvin, se dice que éstas escalas son escalas centígradas. Por esta razón, el cambio de
temperatura medido en Celsius, numéricamente es igual al cambio de temperatura
medido en Kelvin. La escala Kelvin es la que utiliza el Sistema Internacional de
Unidades y también recibe el nombre de escala absoluta.
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Ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas fueron
principalmente estudiadas por Maxwell; constan
de ciertas partes principales como se puede ver
en la figura 1. La cresta es el punto más alto de
la onda, siendo el valle su opuesto, la longitud
de onda es la distancia entre
cresta y cresta. Por último, la frecuencia es el
número de ciclos por segundo, siendo un ciclo
equivalente a una oscilación.
Hay diversas clases de ondas dependiendo de su longitud de onda, en este trabajo nos
interesan las microondas. Éstas tienen una longitud de onda de 12.23 cm y tienen una
frecuencia promedio de 2.45 GHz.
Funcionamiento del microondas
Las ondas electromagnéticas con las
que el horno de microondas trabaja
lógicamente son las microondas.
Éstas oscilan a la misma frecuencia
que las móleculas del agua, por lo
que las microondas comienzan por
alterar a las móleculas del agua de
los alimentos al chocar con ellas y
dichas moléculas de agua a su vez,
chocan con las demás moléculas que
componen al alimento, lo que causa
una mayor energía cinética entre ellas y por consiguiente un incremento en la
temperatura.
Fig. 1: Partes principales de una onda
electromagnética
Fig. 3: Partes principales de un horno de
microondas, incluido el magnetrón
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Las microondas con las que calienta el horno de microondas son producidas por un
magnetrón (véase fig. 2), el cual recibe energía eléctrica y se encarga de transformarla
a energía electromagnética. El magnetrón posee un cátodo que se encuentra rodeado
por un anodo, dicho cátodo libera electrones que son atraídos por el electrón, sólo que
en su camino hacia el anodo, los electrones giran en espiral alrededor del cátodo, con
lo que van ganando más energía. Una vez que terminan su camino salen del magnetrón
en forma de microondas guiadas por una antena, para así calentar los alimentos.
Además, gracias a las paredes internas metálicas del horno de microondas, las ondas
que no son absorbidas por el alimento rebotan contra las paredes y regresan al
alimento para ser absorbidas.
Potencia
La potencia es la razón de cambio con la que un trabajo es realizado, como el trabajo
es energía podemos llegar a la siguiente fórmula:
𝑃 = !! (1)
Ya que se posee el dato de la potencia pues todos los hornos de microondas la
proporcionan, se puede determinar el tiempo que queremos que funcione, entonces
resulta útil el despeje de (1) de la energía:
𝐸 = 𝑃𝑡 (2)
Con base en las unidades de potencia, en la vida práctica se suele utilizar otra unidad
de energía llamada kilowatt-hora. Esta unidad se define como la cantidad de energía
que ingresa o que sale de una máquina con un kilowatt de potencia durante un intervalo
de tiempo de una hora. La fórmula para convertir de joules a kilowatts-hora es:
1 kWh = 3600 J
Como puede observarse, ésta unidad se utiliza más en el funcionamiento de aparatos
eléctricos debido a que la unidad del SI es demasiado pequeña.
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Metodología de Investigación
En esta investigación se observó como es el
calentamiento del agua con un horno de
microondas. Para esto se utilizó un horno de
microondas (véase fig. 3) donde se
calentaron trece vasos de unicel, con 200 ml
de agua cada uno, a diferentes
temperaturas, comenzando por 10 segundos
e incrementando de 5 en 5 segundos hasta
llegar a 70 segundos; para esto se utilizaron
trece vasos en total más un comodín por si
se llegaba a requerir uno más en algún
momento (véase fig. 4). No se llegó a un tiempo mayor por precaución, ya que si el
agua llegaba a una temperatura muy alta podría salpicar y ocasionar alguna
quemadura.
La temperatura inicial de todos los vasos fue
de 23º C. Cada vez que se metía un vaso al
microondas se aseguraba que estuviera
centrado para evitar lo más posible el factor
de error por cambio de posición; cuando se
sacaba, se tenía cuidado por el vapor y lo
caliente que estuviera y se agitaba
ligeramente con ayuda del termómetro para
que la temperatura fuera la misma en todas
las regiones del líquido.
Fig. 3: se utilizó un horno de microondas con una
potencia de 950 W
Fig. 4: vasos utilizados en el experimento
con 200 ml de agua cada uno
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Resultados y Análisis
Gráfica 1: temperatura contra tiempo
En la Gráfica 1 se puede ver que el incremento de la temperatura fue proporcional al
tiempo de calentamiento del agua. La pendiente de la recta indica que por cada
segundo de calentamiento, la temperatura del agua se incrementará aproximadamente
en 0.51ºC.
Si consideramos que la potencia del horno que se utilizó durante el experimento es de
950 W, entonces, podemos encontrar la cantidad de energía consumida durante el
calentamiento mediante la expresión
𝐸 = 𝑃𝑡 (3)
Utilizando la expresión anterior, se elaboró una gráfica que relacione el cambio en la
temperatura y la cantidad de energía consumida por el horno
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Gráfica 2: temperatura contra energía
En dicha gráfica que es la Gráfica 2, se observa que para incrementar en un grado
Celsius la temperatura de 200 ml de agua se requieren de 0.0005 J. Esto se muestra en
la pendiente de la recta obtenida gracias a (3).
Una vez que se tiene la energía, se tomó como precio del kW h el que proporciona la
Comisión Federal de Electricidad (CFE) para el consumo intermedio de energía, siendo
éste de $0.97.
Convirtiendo de kW h a J se calculó el precio por J de energía gastado, el cual es
$0.2694 por cada Joule de energía.
Por medio de los datos anteriores, se obtuvo la siguiente gráfica que muestra el cambio
de temperatura y el costo de la energía consumida por el horno de microondas.
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Gráfica 3: temperatura contra costo
De la Gráfica 3 se puede ver que por cada peso, la temperatura se incrementa en
3.712º C la temperatura. Este dato sólo aplica para el agua, ya que para cada alimento,
se requerirán diferentes cantidades de calor y por tanteo diferentes cantidades de
tiempo para modificar la temperatura. En otras palabras, cada material requerirá
diferentes tiempos de calentamiento porque cada uno de ellos posee un calor
específico diferente.
Sin embargo, con los datos que tenemos podemos estimar el costo requerido para
preparar determinados alimentos. Así pues, se estima que para preparar unas
palomitas de maíz, éstas requieren calentamiento en un horno de microondas durante
un intervalo de tiempo que va de 2 a tres minutos. Si consideramos entonces un
intervalo de tiempo de 2.5 minutos (es decir, 150 segundos), podemos tener que este
intervalo de tiempo equivale a calentar el agua 73.51 grados y por ende el costo
requerido es de 19.80 pesos.
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Por otro lado, se estima que un flan hecho aproximadamente ocn un litro de leche y seis
huevos se toma un estimado de 25 minutos para cocerse completamente. Utilizando las
proporciones obtenidas, se tiene que, el costo monetario requerido para cocer dicho
pastel es de 205.25 pesos.
No es necesario conocer el cambio en la temperatura del agua para conocer el costo
monetario de la energía consumida por un horno de microondas, sin embargo, el
conocimiento de esta iinformación puede ser útil para establecer estándares en el
manejo de las cantidades energéticas que nos permita comparar con las capacidades
caloríficas específicas de otros materiales.
Es importante mencionar que al conocer la relación que existe entre el cambio de la
temperatura del agua y el tiempo de calentamiento en el horno, se puede conocer
también la cantidad de energía requerida para calentar el agua hasta cierta
temperatura. Sin embargo, esta energía consumida por el horno no se traduce por
completo en la cantidad de calor que se agrega al agua, ya que el horno utiliza la
energía para poner en funcionamiento a cada uno de sus componentes, para hacer
girar el motor del plato rotatorio interno y para iluminar con luz visible al objeto que se
calienta en su interior. Además hay que considerar que parte de la energía consumida
por el horno se pierde en el calentamiento mismo del horno. Por tanto, no se puede
esperar que el consumo energético calculado corresponda con valores del calor
absorbido por el agua obtenidos teóricamente, ya que dichos datos teóricos no
contemplan el funcionamiento del horno y la utilización (y desperdicio) de energía en
sus diversos componentes. El análisis de la distribución de energía es tema de un
futuro trabajo de investigación.
Conclusiones
A partir de las gráficas obtenidas durante el experimento se observó que el cambio en
la temperatura del agua y el tiempo de calentamiento en un horno de microondas son
dos variables que tienen una relación de proporcionalidad lineal. Por tanto, es posible
encontrar una relación lineal entre el cambio de temperatura del agua y la cantidad de
energía utilizada por el horno para su calentamiento. Además, al conocer la cantidad de
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energía consumida por el horno, se puede obtener el costo monetario de la energía
consumida y por tanto, la cantidad de dinero que se necesita para calentar el agua a
una determinada temperatura.
Referencias
• Resnick, R., Halliday, D., Krane, K., (2002). Física, vol. 1. México: Patria.
• Askeland, T., (1998). Ciencia e Ingeniería de los materiales, México: Thompson.
• Serway, R., (1993). Física, vol. 2. México: Mc Graw Hill.
• Giancoli, D.C., (1997). Física, principios con aplicaciones. México: Prentice Hall.
• Tipler, P., (2002). Física para la Ciencia y la tecnología, vol. 2. México: Reverté.
• CFE. (2017). Consulta tu tarifa. Recuperado el 12 de febrero de 2017 de
http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas/Tarifas/tarifas_casa.asp?Tarifa=
DACTAR1&Anio=2015&mes=2&imprime=
