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Los globos de Helio

 
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Alanparson
Administrador
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Registrado: 26 Feb 2004
Mensajes: 128
Ubicación: Castilla
MensajePublicado: Martes 10 Enero 2006 23:51    Asunto: Los globos de Helio Responder citando

Hola a todos.

Escribo este mensaje para tratar de despejar una serie de dudas que nos surgieron a un grupo de amigos en un bar del pueblo estas navidades, acerca de las propiedades del gas Helio y su utilización en ciertos campos, y que quiero compartir aquí con los que podáis presentar cierta curiosidad sobre estos temas.

Como la mayoría de vosotros habréis podido comprobar estas navidades, uno de los bares más famosos del nuestro pueblo ha estado lleno de globos de plástico “adheridos” a su techo por efecto de haber sido inflados con gas Helio. En torno a esta propiedad, algunos de nosotros empezamos a debatir acerca de cuándo caerían al suelo estos globos (si es que lo hicieren) y hasta qué altura llegarían en el caso de soltarlos libremente al aire atmosférico. También discutimos sobre el efecto físico producido al pinchar con un alfiler el globo y el estruendo sonoro consiguiente, además del porqué del cambio de tonalidad de la voz cuando inhalamos el gas por la boca. Por último, nos preguntamos por las aplicaciones comerciales más importantes del Helio y su uso particular en hospitales como complemento al oxígeno medicinal.

Como no me gusta dejar a medio resolver estas dudas que a menudo debatimos entre amigos, me voy a aventurar a tratar de dar una explicación más o menos razonada sobre este tema en cuestión, y sobre el cual estaré muy agradecido a todo aquél que, con conocimiento sobre el particular, me corrija o puntualice sobre las barbaridades que en este rollo macabeo pueda perpetrar en uso de mi escasa lucidez.


En primer lugar, podemos conocer qué es el Helio y cuáles son sus propiedades sin más que acercarnos a cualquier enciclopedia o diccionario enciclopédico:

Definición y propiedades:

Helio: elemento gaseoso, inerte, incoloro e inodoro perteneciente al grupo VIIIA del sistema periódico que forma parte de los llamados gases nobles. Está formado por moléculas monoatómicas, con una masa por átomo de 4,0026 unidades de masa atómica, siendo el elemento gaseoso más ligero, exceptuando al hidrógeno. Presenta una temperatura de solidificación de -272,2 °C a una presión superior a 25 atmósferas, una temperatura de ebullición de -268,9 °C y una densidad de 0,1664 g/l a 20 °C.

Como todos los gases nobles, es químicamente inerte. Su única capa de electrones se encuentra llena, lo cual hace muy difíciles las reacciones con otros elementos, e inestables los compuestos resultantes. Hasta la fecha, no se conoce ni un solo compuesto de Helio, así como tampoco se espera que lo haya en el futuro. Esto le convierte en el elemento de la tabla periódica menos reactivo, justo al contrario que el Flúor.

Es el segundo elemento más abundante en el Universo, después del Hidrógeno, con una presencia del 7% del total de la materia contenida en él. En cambio, en la Tierra es tan escaso que ni siquiera fue descubierto aquí, siendo el único elemento que se descubrió fuera de ella, gracias a un eclipse solar. Más tarde, se descubrió como un componente más de la atmósfera terrestre, con una abundancia de apenas 0,00052% de la composición de ésta. Esta escasez en la atmósfera se debe a que, a semejanza con el Hidrógeno, el Helio es tan ligero que la gravedad terrestre no alcanza a atraparlo.

Los yacimientos de gas natural suponen su principal fuente de obtención al contener un 0,5 % del elemento a partir de la presencia de radiactividad en elementos muy pesados de la tabla periódica que, formando parte de los minerales del subsuelo, emiten partículas alfa como característica de su radiactividad, las cuales son núcleos de Helio que, posteriormente, captan electrones del medio con el objetivo de alcanzar su estabilidad, quedando así formada la estructura del Helio.

El nombre del Helio viene a partir de 1868 cuando el astrónomo francés Pierre J.C. Jansenn lo descubrió en el espectro de la corona solar durante el transcurso de un eclipse de Sol. Poco después, el químico británico Edward Frankland y el astrónomo británico Joseph Norman Lockyer lo identificaron como elemento no catalogado y le dieron esa denominación del griego Helios: Sol.


Aplicaciones:

El Helio es el gas más difícil de licuar, y es imposible de solidificar a presiones atmosféricas normales. Esas propiedades convierten al Helio líquido en un material extremamente útil como refrigerante, así como para experimentos de obtención y medida de temperaturas cercanas al cero absoluto –273,15 ºC.

Debido a su extremadamente bajo punto de ebullición, el Helio líquido se utiliza como refrigerante en sistemas para enfriamiento extremo, como los necesarios en los imanes superconductores que hacen funcionar los aparatos de resonancia magnética nuclear utilizados actualmente como equipo de diagnóstico.

Debido a que es incombustible, el Helio es un gas más adecuado que el Hidrógeno para elevar globos en el aire, presentando un 92% de la potencia elevadora del Hidrógeno, a pesar de tener una masa dos veces superior.

El Helio se usa también para presurizar y endurecer la estructura de los cohetes antes del despegue, y para presurizar los tanques de Hidrógeno líquido u otros combustibles, con el fin de forzar el combustible dentro de los motores del cohete. Es útil para esta aplicación porque sigue en estado gaseoso incluso a la baja temperatura del Hidrógeno líquido. Un potencial uso del Helio es como medio transmisor de calor en los reactores nucleares, porque permanece químicamente inerte y no radiactivo en las condiciones existentes en el interior de los reactores.

Se emplea en soldadura por arco de gas inerte de ciertos metales ligeros, tales como las aleaciones de Aluminio y Magnesio, que de otra forma se oxidarían, protegiendo las partes calientes del ataque del aire. Se emplea también en lugar del Nitrógeno como parte de la atmósfera sintética que respiran los buceadores, los trabajadores de las campanas sumergidas, etc, porque reduce la posibilidad de sufrir embolias gaseosas, ya que el Nitrógeno gaseoso tiene una pequeña solubilidad en la sangre, sobre todo a las elevadas presiones de las profundidades marinas. Esto provoca que al ascender a la superficie, el Nitrógeno disuelto salga de la sangre formando burbujas, que al llegar al corazón tienen efectos fatales.

El Helio, sin embargo, debido a esa incapacidad de interactuar con otros átomos, es prácticamente insoluble en la sangre, aún a presiones altas, por lo que resulta inofensivo. El único problema en este caso es que sus átomos son tan pequeños que se escapan a través de los recipientes que los contienen, razón por la cual no se puede almacenar mucho tiempo, y se ha requerido diseñar contenedores especiales que contribuyen en buena parte al elevado coste de este deporte.

Esta atmósfera sintética se usa también en medicina para aliviar los problemas de respiración, ya que el Helio se mueve más fácilmente que el Nitrógeno por las vías respiratorias afectadas, debido a su baja densidad. Existen diversas proporciones estándar de Oxígeno-Helio aplicadas al uso de máscaras de ventilación medicinal con valores de 80:20, 70:30 y 60:40. Con su uso, mejora el flujo espiratorio y se reduce el trabajo de la respiración al disminuir la resistencia de circulación en las vías aéreas, con lo que se previene la fatiga muscular del paciente.

En cirugía, los rayos de Helio ionizado procedentes de sincrociclotrones son útiles en el tratamiento de los tumores oculares, porque estabilizan o incluso contraen los tumores. Estos rayos se usan también para disminuir las malformaciones de los vasos sanguíneos en el cerebro de los pacientes.

Su ligereza, es la base de que se utilice para inflar globos, (los cuales, precisamente acaban bajando porque los átomos de Helio son tan pequeños que se escapan a través del látex del globo), así como los dirigibles utilizados en mediciones meteorológicas o en publicidad.


Curiosidades:

- Cambio de tonalidad fónica

El fenómeno del cambio de la tonalidad de voz al inhalar gas Helio se debe a que el sonido de la voz se origina cuando el aire que pasa por la traquea hace vibrar las cuerdas vocales.

La frecuencia fundamental de una cavidad resonante (en este caso la boca y la garganta) es directamente proporcional a la velocidad del sonido en el gas que llena dicha cavidad, y la velocidad del sonido en un gas es proporcional a la raíz cuadrada del cociente “T/M”, donde T es la temperatura absoluta y M, la masa molecular del gas.

Es decir, V = Raíz Cuadrada (K·R·T/M), siendo:

K = Coeficiente adiabático para el gas, de valor aproximado 1,4 (Adimensional)
R = Constante de los gases, con valor 8,31 Julio/Kelvin · Mol
M = Masa molecular del gas a considerar en kg/Mol
T = Temperatura absoluta en grados Kelvin.
V = Velocidad en metros/segundo.

Esto nos lleva a concluir que la velocidad del sonido será mayor en gases de menor masa atómica. Por tanto, en aire (M = 28,964) a 0 °C (273,15 K) la velocidad del sonido es 331,3 m/s y, a esta misma temperatura, en Helio (M = 4,003), la velocidad es 891,2 metros por segundo. Este incremento de la velocidad conlleva un apreciable aumento de la frecuencia del sonido emitido (se vuelve mas agudo, más chillón). Así pues, a presión atmosférica en una atmósfera de Helio puro, la voz de un ser humano se hace dos octavas y media más alta, mientras que para una mezcla de Oxígeno-Helio que contenga 68% en volumen de helio, la tonalidad de la voz es sólo una octava y media más alta.

Debemos considerar, además, otro aspecto importante, como es el hecho de que las cuerdas vocales vibran mas fácilmente dentro de un medio menos pesado que en otro que lo es más, lo que es intuitivamente fácil de entender por cualquiera, ya que será menor el esfuerzo necesario para desplazar (hacer vibrar) las moléculas más livianas que las más pesadas. Todo esto sólo es aplicable al pequeño intervalo de tiempo que las cuerdas vocales se encuentran rodeadas de la atmósfera de Helio.


- Altura que alcanza el globo

En lo que respecta al efecto de ascensión del globo y la altura que logra alcanzar en su libre ascensión atmosférica, debemos entender que al llenar de Helio un medio elástico como es el recubrimiento de plástico del globo, la atmósfera interior del globo que contiene el Helio (el cual hemos llenado y cerrado), tendrá una presión manométrica o interna ligeramente superior a la atmosférica, debido al esfuerzo elástico de compresión que ejerce el globo sobre el gas interior. El hecho de que la densidad del Helio (0,1664 gramos/litro a 20ºC) sea netamente inferior a la del aire (1,2 gramos/litro) provoca que el globo ascienda rápidamente cuando lo soltamos, debido a que la fuerza de empuje a la que se ve sometido por el principio de Arquímedes es superior al peso del globo (plástico + gas Helio contenido).

La fuerza del empuje está determinada por la expresión: Fe=r·g·V (donde r = densidad del aire, g = aceleración gravitatoria y V = volumen del globo). Así, cuando el globo que, perenne el techo del bar, al cabo de los días se va desinflando lentamente por la pérdida (escape) del gas contenido, caerá al suelo cuando el peso (masa por gravedad) del plástico más el contenido de gas que le quede en su interior, sea inferior al volumen de gas necesario para mantener una fuerza de empuje tal que impulse el globo hacia arriba, considerando despreciable la variación de densidad del fluido interior siempre que supongamos que la variación de presión del gas en el globo es muy reducida.

En el caso de que lo soltemos libremente a la atmósfera, a medida que el globo asciende, la presión atmosférica del aire sobre la periferia exterior del globo disminuye, de forma que el globo, poco a poco, se expande hasta alcanzar una altura tal donde la fuerza dilatadora del Helio en el interior supera a la tensión de rotura del plástico hasta que el globo estalla. Este efecto es utilizado por los meteorólogos en los famosos globos sonda, donde globos esféricos (con volumen bien determinado) inflados de Helio son soltados a la atmósfera con altímetros y demás instrumental de medida en su interior, que se recupera cuando el globo estalla y dicho instrumental cae al suelo con las medidas registradas en sus dispositivos digitales. Lógicamente, el globo ascenderá a una mayor altura cuanto mayor sea la presión atmosférica del aire (condiciones de anticiclón).


- Estallido del globo

En el estallido del globo, el efecto sonoro se produce a causa de la súbita variación de presión que provoca la salida de aire. Recordemos que el sonido es una onda mecánica longitudinal que se genera por fricción entre medios y se propaga a través de un sólido o un fluido (en nuestro caso, el aire) por ondas de choque o de presión.

Sería similar a lo que ocurre con el fenómeno del trueno, donde el arco eléctrico desencadenado calienta casi instantáneamente una gran masa de aire a una temperatura de varios miles de grados, lo que genera, por efecto del cambio de densidad del aire calentado, una súbita corriente convectiva de aire a una velocidad tal que provoca una fuerte onda de choque que, finalmente, produce ese estruendo sensorial, capaz de dañar nuestros oídos.



Si has sido tan osado de llegar hasta aquí, espero que toda esta parrafada no te haya generado más dudas de las que, en principio, se pretendían aclarar en este embrollo conceptual. En caso de que te hayan surgido, agradeceré que las expongas para que podamos ser partícipes de ellas, comentarlas y, si es posible, resolverlas.



Un abrazo.
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