Cómo funciona una cafetera

Física de la cafetera: 

Explica cómo funciona una cafetera semejante a la mostrada en la ilustración. Debe relacionarse su funcionamiento con los conocimientos de Física que hemos estudiado durante el curso.

Respuesta

En el cuerpo inferior

El fuego calienta el cuerpo inferior de la cafetera. El metal, aluminio o acero, conduce fácilmente el calor y lo transfiere al agua. Aumenta la temperatura del agua y el aire contenidos en el depósito inferior, que es un compartimento cerrado que comunica con el cuerpo intermedio mediante un tubo.

El agua del depósito no se caliente uniformemente. En primer lugar aumenta la temperatura del agua situada junto a la base, que se dilata. En consecuencia, disminuye su densidad. El agua que está encima es entonces algo más fría y densa que la de abajo. El agua más caliente y ligera sube mientras el agua más densa y fría desciende. Ello hace que toda la masa de agua se mezcle y se vaya calentando.

Entretanto, se ha elevado también la temperatura del aire contenido en el depósito inferior, que se expande rápidamente elevando la presión.

Según va aumentando la temperatura (sin llegar a hervir) se va evaporando agua. El vapor de agua resultante contribuye también al aumento de presión en la cámara libre de líquido del cuerpo inferior de la cafetera.

El aumento de presión produce dos efectos importantes:

1. La presión en el cuerpo inferior se hace mayor que la atmosférica. En consecuencia, el agua caliente comienza a subir al cuerpo intermedio de la cafetera por el único lugar posible, el extremo del tubo que conduce al depósito de café molido. Junto con el agua en estado líquido sube también vapor, agua en estado gaseoso, cuya proporción va aumentando.
2. Debido al aumento de la presión sobre el agua del depósito, la temperatura de ebullición del agua se eleva. El agua hierve a más de cien grados. Hervir el agua requiere más calor.

En el cuerpo intermedio

El agua caliente, que pierde algo de temperatura en el ascenso, se encuentra con el café molido. Es importante que el café esté molido, para que el agua pueda entrar fácilmente en contacto con las substancias solubles que contiene.

El café molido supone una dificultad para el paso del agua, que se extiende por todo el cuerpo intermedio debido a la presión. Las substancias solubles del café se disuelven en el agua caliente. Se forma la infusión de café.

El agua que sigue subiendo desde el cuerpo inferior hace que aumente se mantenga la presión en el cuerpo intermedio y empuja la infusión de café hasta el cuerpo superior.

Cuando el agua del depósito inferior empieza a hervir, la liberación masiva de vapor de agua contribuye al aumento de presión en el cuerpo inferior  y al ascenso del agua.

En el cuerpo superior

La temperatura de la infusión va disminuyendo según asciende porque el cuerpo superior está alejado de la fuente de calor. Aunque el metal conduce el calor, la temperatura del cuerpo superior es bastante más baja que la del cuerpo inferior. La infusión de café asciende hasta el depósito superior, donde queda recogida.

El depósito del cuerpo superior es un compartimente abierto que se halla a la presión atmosférica, inferior a la del agua ascendente. En consecuencia, el vapor de agua atrapado se libera y también algunas moléculas de agua de la infusión pasan al estado de vapor e incluso algunas moléculas volátiles del café. La mayor parte del vapor recién liberado vuelve a condensarse en el mismo depósito superior, aunque una parte escapa de la cafetera al aire circundante dejando en el ambiente el aroma del café.

El pitido final

Cuando el nivel de agua en el depósito inferior queda por debajo del tubo que da acceso al cuerpo intermedio solamente asciende el vapor restante, produciendo un silbido característico. Antes de eso suele oírse un borboteo debido al ascenso irregular de líquido y gas.