Convección en un molde de aluminio

1. Coloca el molde de aluminio sobre una placa caliente que esté apagada y fría. 
2. Llena el molde de aluminio aproximadamente hasta la mitad con agua del grifo. Agrega al menos 2 cucharadas de jabón líquido.
3. Con el dedo, revuelve suavemente el jabón y el agua, y trata de que no se formen burbujas.
4. Agrega unas gotas de colorante para alimentos a la mezcla y revuelve suavemente hasta que el color esté bien mezclado. El colorante para alimentos le dará a tu solución un poco de contraste y te permitirá ver más fácilmente las corrientes de convección y el flujo de los fluidos.
5. Deja que la solución jabonosa se asiente en el molde para que la superficie quede relativamente inmóvil.
6. Enciende la placa caliente y colócala a una temperatura de calor bajo.

Ponte las gafas de seguridad. Observa lo que le sucede al líquido en el molde cuando enciendes la fuente de calor. Deberías comenzar a notar remolinos en el agua jabonosa. No dejes que el líquido se caliente demasiado. Cuando las moléculas de estearato se sobrecalientan, se descomponen, lo que hace que el lustre nacarado desaparezca y la solución se vuelva transparente.

Prueba diferentes experimentos. A medida que tu solución se calienta (o se enfría), investiga cada uno de los siguientes fenómenos:

• Trata de soplar a través de la superficie del líquido.
• Coloca un trozo de hielo u otro objeto frío en la solución.
• Prueba agregando unas gotas de diferentes colorantes para alimentos en los bordes del molde. ¿Qué observas?
• Usa las almohadillas calientes o manoplas de horno para retirar el molde de la placa caliente (ten cuidado de no quemarte los dedos) y colócala sobre una superficie plana y fría. Espera y mira lo que sucede. ¿Cómo cambia la apariencia del líquido? ¿Cuánto tiempo tarda la convección en detenerse por completo?
• Para reiniciar el experimento de convección, deja que el líquido se enfríe por completo o prepara un lote nuevo.

Si tienes algunas monedas a mano, espera hasta que la placa caliente y el molde se enfríen y luego coloca las monedas en diferentes lugares sobre la superficie de calentamiento. A continuación, coloca el molde sobre las monedas. Las monedas conducirán el calor, y la fuente de calor se localizará en algunas regiones específicas.

• Deja que el molde se enfríe y cambia el orden de las monedas. ¿Qué observas en los patrones que se crearon ahora en la superficie del líquido?

En general, el calentamiento hace que un fluido se expanda en volumen, ya que reduce su densidad.

Al comienzo de este experimento, debido a que mezclaste bien el líquido jabonoso en el molde antes de calentarlo, la temperatura y la densidad del líquido jabonoso son parejas en todo el volumen. Cuando el molde se calienta, el líquido en la parte inferior del molde se calienta primero y se vuelve menos denso. Este líquido más liviano es empujado hacia arriba por un líquido más denso y frío en columnas localizadas. Cuando este fluido más cálido y menos denso llega a la superficie, se enfría, se vuelve más pesado y se hunde.

La región localizada donde el fluido se eleva y se hunde se denomina celda de convección. Agregar colorante para alimentos resalta el movimiento de estas corrientes de convección.

Cuando el molde se coloca en la placa caliente, las celdas de convección se elevan a través del líquido directamente por encima del elemento de calentamiento (o monedas, si las usaste).

Cuando el molde caliente se coloca en una superficie fría, el proceso de convección disminuye la velocidad. Esto hace que las celdas de convección se ensanchen y se definan con mucha precisión. Esta desaceleración del proceso de convección permite que la solución se calme lo suficiente para que aparezcan líneas más oscuras y curvas. Estas líneas oscuras muestran dónde baja el fluido de una o más celdas de convección.

La convección ocurre en todos los tipos de fluidos y ubicaciones. Puedes observar la convección  en estos elementos:

• Líquidos: Las celdas de convección aparecen en líquidos grandes y pequeños, desde una taza de café hasta los océanos. 
• Gases: La atmósfera y el clima se ven afectados por la convección. Incluso el aire que rodea tu cuerpo sufre una convección.
• Plasma: En cualquier momento dado, la superficie del sol tiene miles de celdas de convección en movimiento tan grandes como toda la tierra.
• Dentro de nuestro planeta: El núcleo de hierro de la tierra se revuelve debido a la convección, lo que crea un campo magnético protector alrededor de la tierra. La causa de los terremotos se puede remontar a la roca del manto que sufre una convección lentamente, muy por debajo de nuestros pies.

Los fabricantes de jabón a menudo cambian sus fórmulas. Si encuentras una marca de jabón para manos o champú que te funcione bien, cómpralo a granel para tener un suministro para los próximos años.

Si estás trabajando con niños pequeños o si prefieres no usar un elemento de calentamiento eléctrico, puedes probar este experimento con fuentes de calor alternativas, como una vela, una taza de agua caliente (consulta la imagen a continuación) o incluso la palma de la mano.

Para no tener que mezclar una solución de jabón nueva cada vez, y para minimizar el desorden, puedes mezclar un lote de solución en una botella de cultivo. Estas botellas están hechas de plástico y no pueden colocarse sobre calor directo, por lo que deberás probarlas con una fuente de calor alternativa como se mencionó anteriormente. ¡Pero el efecto sigue siendo espectacular!