El aliento es cálido y el soplido frio ¿porqué?

El principio de Bernoulli y su relación con los soplidos y el aliento 

Puede que nunca os lo hubieseis planteado, pero si pones tu mano a 5 o 10 centímetros de tu boca y exhalas, es decir, echas el aliento, vas a notar como este está caliente; mientras que si soplas vas a notarlo frío. ¿Cómo puede ser? Si es el mismo aire… ¿no?. Para llegar al fondo de asunto es necesario prestar atención a la física que hay detrás de él: el principio de Bernoulli, la ecuación de continuidad, el efecto Joule-Thomson y la dinámica de gases y fluidos.

¿Qué es el principio de Bernoulli? 

El principio de Bernoulli, o teorema de los fluidos de Bernoulli, es una ley de física que describe el comportamiento de un fluido incompresible en movimiento. Este establece que en un fluido que se mueve en un flujo constante, la suma de la presión estática, la presión dinámica y la energía potencial por unidad de volumen es constante en cualquier punto del fluido:

P + 1/2ρv² + ρgh = constante

Donde:

P es la presión estática del fluido.

ρ es la densidad del fluido.

v es la velocidad del fluido.

g es la aceleración debido a la gravedad.

h es la altura sobre un punto de referencia.

Del principio de Bernoulli se puede deducir que, a medida que la velocidad del fluido aumenta (en la ecuación, v es más grande), la presión estática disminuye (P se tiene que volver más pequeña para que la suma sea constante), y viceversa. Se debe destacar que la ecuación de Bernoulli es una aproximación válida solo en condiciones específicas, como en fluidos incompresibles y en régimen permanente, por lo que es importante tener en cuenta las limitaciones de su aplicación en diferentes contextos. Aun así, es lo suficientemente general como para valga en nuestra explicación. Además, para lectores expertos que quieran profundizar más en el tema: se puede comprobar que este principio se deriva de las ecuaciones de Euler y de las leyes de la termodinámica. 

¿Cuál es la relación entre el principio de Bernoulli y la temperatura? 

Un momento, antes de seguir, ¿para qué queremos el principio de Bernoulli si no aparece la temperatura? Bueno, vemos que el principio no está directamente relacionado con la temperatura del fluido, pero la velocidad del fluido puede afectar a la temperatura mediante la presión. Recordemos que la presión de un gas y su temperatura están relacionadas por el principio de los gases ideales:

PV = nRT

Según este principio, si el volumen de un gas se mantiene constante, entonces la presión y la temperatura son directamente proporcionales, luego el aumento en la velocidad del gas afectará a la presión y ésta afectará a la temperatura.

¿Qué es la ecuación de continuidad?

Vale, pero si se explica todo con el principio de Bernoulli, ¿por qué necesitamos la ecuación de continuidad? Es cierto que a nivel físico el principio de Bernoulli es la clave para entender lo que ocurre, pero la ecuación de continuidad es necesaria para comprender por qué la velocidad del aire al soplar es mayor que al exhalar, aunque se hagan con la misma fuerza. Esta ecuación establece que el caudal de fluido (Q) a través de una sección transversal (A) de una tubería es constante, lo que se puede expresar matemáticamente como: 

Q = A · v = constante

Dicho así suena todo un poco raro, pero entendamos mejor a qué se refiere:

La relación entre la anchura de un canal y la velocidad del fluido que pasa por él depende del principio de conservación de la masa, que indica que la cantidad de masa que entra en un sistema cerrado es igual a la cantidad de masa que sale. En el caso de un fluido que fluye a través de un conducto de sección transversal variable, es decir, que su anchura se puede modificar; la masa que entra debe ser igual a la masa que sale.

Debido a esto, la velocidad del fluido debe variar para compensar los cambios en la anchura del conducto. Si el conducto se ensancha, la velocidad del fluido debe disminuir para mantener constante el caudal, es decir, la cantidad de fluido que pasa por unidad de tiempo. Por otro lado, si el conducto se estrecha, la velocidad del fluido debe aumentar por el mismo motivo.

¿Qué es el efecto Joule - Thomson?

El efecto Joule-Thomson es un fenómeno físico que ocurre cuando un gas se expande sin realizar trabajo externo: cuando un gas se expande a través de una región sin restricciones, la energía cinética de las moléculas del gas se convierte en energía potencial, lo que resulta en una disminución de la temperatura del gas. Si la expansión es lo suficientemente rápida, puede producirse una caída de temperatura significativa.

El efecto Joule-Thomson se utiliza para enfriar gases de la siguiente forma: se hace pasar un gas a través de una válvula y se permite que se expanda en una zona de menor presión, por lo que el gas se enfría. Este efecto será importante más adelante.

¿Por qué al soplar sale aire frío y al exhalar sale caliente?

Bueno, vayamos ya a resolver la cuestión que nos concierne como haría un buen científico: empleando todos los conocimientos adquiridos. En primer lugar, cuando se exhala aire (aliento) y cuando se sopla, el aire sale con la misma temperatura, la temperatura corporal. Por ende, el aire en sí mismo no es distinto y no puede ser el causante de la diferencia térmica. Pensando en la forma en la que hacemos las dos funciones, cuando se sopla aire nuestra boca (los labios, la boca en general y la garganta) está considerablemente más cerrada que cuando echamos el aliento. Como indicaba la ecuación de continuidad, al pasar el fluido por un conducto (el sistema respiratorio) con una anchura menor, este (el aire) sale con una velocidad mucho mayor; luego al soplar (anchura menor) el aire saldrá con más velocidad que cuando se exhala (anchura mayor). 

Ahora, como explica el principio de Bernoulli, el flujo de aire con una mayor velocidad (el soplido) debe tener una presión menor que el flujo de aire con una velocidad menor (el aliento). Finalmente, estudiando la relación entre la presión y la temperatura para un mismo volumen, pues el aire se expande por la misma región, se llega a la conclusión de que la presión y la temperatura son directamente proporcionales. Esto indica que, como el aliento tenía una presión menor, tendrá también una temperatura menor, o lo que es lo mismo, estará más frío. De manera contraria ocurre para el aliento.

¡Eureka! Hemos llegado a la conclusión: el soplido sale con mayor velocidad, pues cerramos más la boca, por lo que tiene una menor presión y entonces una menor temperatura. Bueno, paremos un momento porque hay más motivos y algunas imprecisiones importantes que se deben tener en cuenta:

En este artículo se ha hablado del efecto Joule-Thomson, que también tiene algo que aportar: como cuando un gas se expandía su temperatura disminuía, el aliento y el soplido se deberían enfriar igual, porque se expanden por la misma región, ¿no? Bueno, en realidad no. Lo primero es que la disminución de temperatura del efecto Joule-Thomson depende de la reducción de presión, que es menor para el aliento. Además, el aliento sale con una velocidad menor, por lo que se expandirá por una región menor en un mismo tiempo. Este proceso en realidad se entiende mejor como una atracción de materia. Cuando aumenta la velocidad del fluido, este disminuye su presión y se convierte en un atractor muy fuerte: provoca que la masa alrededor de él tienda a acercarse. Como por lo general estamos en lugares más fríos que nuestro cuerpo (con una temperatura menor a 37ºC), la masa atraída por el aire a baja presión es en realidad el aire frío de los alrededores, que tiende a enfriar este soplido.  De hecho, el segundo punto es clave, pues indica que el efecto del soplido frío y el aliento caliente no ocurriría en, por ejemplo, una sauna. ¡Te animo a probarlo! 

Aun así, si no tienes una sauna a mano, puedes hacer esta otra pequeña prueba y comprobar que la clave es la atracción de aire frío del exterior: si pegas mucho la mano a tu boca, de manera que no le de tiempo al aire exterior a ser atraído, el aire va a estar igual de caliente que el del aliento, aunque hayas soplado. 

¿Por qué el aire puede tratarse como un fluido?

Si has estado atento o atenta, te habrás fijado que a lo largo de todo este artículo hemos tratado físicamente al aire, que es claramente un gas, como un fluido. Esto se debe principalmente a dos motivos: su capacidad para fluir y sus propiedades físicas. En primer lugar, el aire, como otros gases, puede tomar la forma del recipiente que lo contiene. En otras palabras, el aire se puede considerar un fluido porque sus partículas tienen la capacidad de moverse libremente y reorganizarse cuando se aplica una fuerza. Además, las propiedades físicas del aire, como la viscosidad y la compresibilidad; son similares a las de otros fluidos como el agua. Por último, ambos sufren fenómenos físicos como la convección (cuando se calienta una habitación, el aire caliente tiende a subir mientras que el aire frío se desplaza hacia abajo) y la turbulencia. 

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