A primera vista, podría parecer que una mezcla de agua y etilenglicol debería congelarse a una temperatura intermedia entre los puntos de congelación de sus componentes. Después de todo, el agua pura se convierte en hielo a 0 °C, y el etilenglicol puro cristaliza aproximadamente a –13 °C. Sin embargo, en la práctica, todo sucede de manera completamente diferente.
Según las leyes de Raoult, la temperatura de cristalización de una solución debe ser inferior a la temperatura de congelación del disolvente puro. Si se añade una pequeña cantidad de agua al etilenglicol, su temperatura de congelación realmente descenderá ligeramente por debajo de –13 °C. Pero el resultado más inusual se logra con otra proporción de componentes.
Si el agua y el etilenglicol se mezclan aproximadamente en una proporción de 1:2, la solución puede permanecer en estado líquido hasta –67 °C. Este valor es significativamente inferior a la temperatura de congelación de cada sustancia por separado.
Por qué la mezcla es más resistente al frío
La razón de este comportamiento tan inusual radica en la estructura de la solución a nivel molecular.
Las moléculas de etilenglicol se sitúan entre las moléculas de agua e impiden la formación de una red cristalina de hielo regular. Al mismo tiempo, las moléculas de agua perturban de la misma manera el proceso de disposición ordenada de las moléculas del propio etilenglicol.
Como resultado:
- ni el agua ni el etilenglicol pueden cristalizar tan fácilmente como en estado puro;
- el grado de desorden molecular aumenta significativamente;
- la temperatura de congelación de la mezcla se vuelve inferior a la temperatura de cristalización de cada uno de los componentes.
El efecto máximo se logra precisamente con una proporción de agua y etilenglicol de 1:2, cuando el nivel de desorden molecular es mayor.
Qué es una mezcla eutéctica
Una solución con la proporción de componentes indicada se denomina eutéctica.
A una temperatura de –67 °C, esta mezcla pasa del estado líquido al sólido de una sola vez, sin separarse en fases individuales.
Si la concentración de etilenglicol difiere de la eutéctica, el proceso de congelación transcurre de manera completamente diferente.
Por ejemplo, en una solución con un contenido de etilenglicol de aproximadamente el 50%, ya a –35 °C comienzan a formarse cristales de hielo puro. A medida que aparecen, la concentración de etilenglicol en el líquido restante aumenta, y la temperatura de su posterior congelación se vuelve aún más baja.
En lugar de una rápida transformación en un cuerpo sólido, la solución se convierte gradualmente en una mezcla espesa de líquido y cristales de hielo.
Por qué el anticongelante no daña el motor
La masa resultante difiere significativamente del hielo común.
Tiene varias características importantes:
- no aumenta de volumen al congelarse;
- no crea una presión destructiva sobre el bloque del motor;
- pierde gradualmente su fluidez a medida que se enfría aún más.
Sin embargo, en caso de heladas intensas, esta mezcla puede espesarse tanto que la bomba del sistema de refrigeración ya no podrá bombearla a través de la camisa de refrigeración del motor, las mangueras y el radiador.
La temperatura a la que la solución deja de circular normalmente se denomina temperatura de pérdida de fluidez.
La viscosidad también es muy importante
Al elegir la composición del anticongelante, es importante tener en cuenta no solo la temperatura de su cristalización, sino también el cambio de viscosidad.
Así, a –13 °C, la viscosidad del etilenglicol puro es aproximadamente 21 veces mayor que la viscosidad del agua a 0 °C.
Incluso la mezcla eutéctica sigue siendo significativamente más espesa: su viscosidad es casi 9 veces mayor que la del agua.
Por lo tanto, en la operación real se utiliza otra opción de compromiso.
Para la mayoría de las regiones de Russia, donde la temperatura invernal rara vez desciende por debajo de –40 °C, se suele utilizar una solución de etilenglicol al 50%.
Esta solución combina varias ventajas a la vez:
- la temperatura de inicio de la cristalización es de aproximadamente –35 °C;
- la solución mantiene una fluidez aceptable;
- a –35 °C, su viscosidad es solo aproximadamente 5 veces mayor que la viscosidad del agua a 0 °C;
- el costo de este anticongelante es menor que el de las composiciones más concentradas.
Es por eso que en los sistemas de refrigeración de automóviles, las mezclas con un contenido de etilenglicol de aproximadamente el 50% son las más comunes. Proporcionan una protección suficiente contra la congelación para la mayoría de las condiciones climáticas y, al mismo tiempo, mantienen las características necesarias para el funcionamiento normal del sistema de refrigeración del motor.
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