El mecanismo del botijo. Historia, fabricación, física y termodinámica de un artefacto extraordinario 

Redacción Terra.org. El botijo es un instrumento técnico preindustrial que roza la perfección. La física, la termodinámica, la respuesta de los materiales minerales transformados, las condiciones climáticas y ambientales, la eficiencia energética, las virtudes saludables de servicio, la eco efectividad y otros aspectos intervienen o se relacionan de forma directa en el funcionamiento del botijo. También aspectos culturales le confieren valor social, enorme en tiempos pasados y ejemplarizante en los actuales, el botijo ofrece servicios efectivos para la modernidad ecológica y lo hace con un balance que podemos considerar muy positivo.

Esquema básico del botijo.

En el botijo podemos encontrar una frescura rústica y el sabor nutritivo de los minerales desde la visión poética de ese compendio de arte y técnica donde también la belleza está presente en este humilde artefacto de arcilla cocida porosa, sus orgánicas formas proceden de la arquitectura oblonda, que por su parecido a la esfera, puede y porqué no, tener un carácter simbólico de la perfección.

Algunas de sus definiciones para empezar 
Aportamos aquí algunas definiciones para concretar sobre el utensilio al que nos referimos. Un botijo, que tiene otras denominaciones según las regiones como puede ser  pipo, pipote, piporro, pimporro. búcaro, barrila, piche, es esencialmente:

Corte geológico de tierras arcillosas.

• Una vasija de barro poroso, destinada a contener agua para beber, que por efecto de la filtración y evaporación, se mantiene fresca. Del latín tardío butticula, diminutivo de buttis, tonel.

• Un cántaro de barro con pitorro y asa

• Una vasija de barro poroso que se usa para refrescar agua

• Un botijo es una vasija de barro cocido que se usa para refrescar agua. Tiene una base redonda y un vientre abultado que se estrecha en la parte superior donde se encuentra el asidero por el que se agarra el botijo. A un lado del asa se encuentra la boca por la que se procede al llenado mientras que en el lado opuesto se halla el pitorro o pitón por el que se desliza el chorro de agua al beber de él.

• Sebastián de Covarrubias en el año 1611, describe "botija", como "vaso de tierra ventrudo con la boca y cuello angosto. Los niños cuando están para llorar hinchan los carrillos y a esto le llaman embotijarse".

Mina de arcilla, c. 1906 KIRCHNER, Ernst Ludwig. Óleo sobre cartón. Colección Carmen Thyssen-Bornemisza.

• Wikipedia: un botijo es un envase o recipiente de barro cocido, poroso, con un vientre ancho para darle capacidad y uno o varios orificios de entrada llamado boca, por el que se llena y uno o varios de salida llamado pitón o pitorro (existen diferencias entre regiones) por el que se bebe. El botijo es un elemento típico de la cultura española. De hecho, difícilmente nos encontraremos una comarca que no tenga su botijo, que variará en formas, colores, cerámicas, etc.

Después de conocer algunas de sus definiciones proponemos hacer un viaje por la historia, saber sobre el proceso de fabricación, sus materiales, las características de las arcillas, tiempo y temperaturas, y unas observaciones de su balance energético. Y como el mecanismo del botijo desde el año 1994 dispone de sus ensayos de laboratorio y ecuaciones, presentamos sus conclusiones y los actores que las elaboraron. Una parada en la componente fisiológica sobre la temperatura del agua de servicio del botijo no podemos pasarla por alto por ser de importancia para la salud humana, al igual que las ventajas ambientales que desde la modernidad cumple a la perfección en gran parte de la franja mediterránea el artefacto que nos ocupa. 

Desde la Fundación Terra, la consigna de predicar con el ejemplo nos ha llevado a realizar nuestro propio test, con medios sencillos pero que evidencia el destacado servicio que el botijo puede ofrecer a una parte de la gran familia humana que goza de un clima privilegiado y que puede convertir este calor en refrescante efecto para saborear el agua a un temperatura agradable y saludable. En uno de los momentos de la historia donde precisamente el clima de la biosfera cambia con rapidez el botijo puede ser un buen utensilio para ahorrar energía de refrigeración del agua de boca.

Histórico almacén de botijos.

Historia, materiales, procesos
Recopilamos un breve resumen de La cerámica del agua y su relación con la aridez de una lección magistral sobre la termodinámica del botijo del climatólogo Alberto Linés Escardó, que cedió derechos de publicación a RAM, la revista de los aficionados a la meteorología. Para los interesados en profundizar en el conocimiento recomendamos la lectura íntegra del artículo que puede obtenerse en el numero 27 de RAM.

Como funciona un botijo
Gabriel Pinto y José Ignacio Pinto lo expresan como sigue: 
El enfriamiento por evaporación es debido a la porosidad de la cerámica, que exuda agua, que al evaporarse toma el calor latente de vaporización del agua de su interior, consiguiendo que ésta se enfríe. La temperatura más baja a la que puede llegar el aire de evaporización del agua en su seno o temperatura de bulbo húmedo, determinará la temperatura mínima teórica a la que puede llegar el agua por evaporización, de esta manera, para que un botijo sea eficiente, requiere transpirar el agua y encontrarse en un ambiente seco.

José I. Prieto comenta que lo adecuado de un botijo es dejarlo en un lugar oreado a la sombra. Allí la evaporación espontánea transporta la parte más cálida e inquieta del agua hasta lo alto del recipiente, donde el vapor sufre distintas suertes: una parte es absorbida (que así se dice) por la superficie interior arcillosa de la vasija, prosigue su viaje por los capilares de la materia sólida hasta asomarse al exterior y saltar al cálido aire circundante. Otra parte de lo evaporado opta por la salida directa de aquel encierro oscuro: por la boca y el pitón, pitorro.
Las formas redondas hacia fuera favorecen la ventilación. El aire cálido y seco reemplaza a buen ritmo el húmedo en el interior, evita la saturación sobre la superficie líquida y anima la evaporación. A cada gramo evaporado lo acompañan casi seiscientas calorías, para alivio térmico del sediento. La eficacia enfriadora del botijo decrece con la humedad del aire en torno. Para humedad del 50% un buen diseño genera una diferencia de temperaturas de ocho grados, que mantiene la evaporación del agua. En esas condiciones la potencia consumida por el botijo es de casi un vatio, lo que lo convierte en la nevera más económica. El vatio lo regala el aire circundante, y sirve para evaporar unos 30 gramos de agua al día. La temperatura del agua es el punto de rocío para el aire, y con una excelente ventilación, sería posible refrescar el agua hasta los 10º con aire caliente a 30ºC y seco al 20%.

Moldeo manual en torno de un botijo.

Alberto Borrás, en base a los cálculos de la ecuación del botijo por parte de Gabriel Pinto y José Ignacio Pinto, argumenta que la temperatura, humedad ambiental, velocidad del aire, tamaño del botijo y su porosidad, son factores todos que nos proporcionan su capacidad de enfriamiento, o sea, la diferencia de temperaturas entre su agua y el exterior.
El botijo enfría el agua al evaporarse la que resuda por su superficie, alcanzando una temperatura de equilibrio más baja que la del ambiente – descenso crioscópico – sin quedar excesivamente fría y acomodada a la humedad del aire. Es la temperatura ideal más fisiológica para beberla.
Sugiere las siguientes observaciones:
1- El botijo clásico, entre la parte lateral mas o menos tronco-cónica y la cúpula superior donde están el asa, el pitorro y el gollete (boca) tienen una curvatura variable que recuerda una hipérbola. 
2- El botijo está hecho de arcilla especial, y para que sea muy poroso ha sido sometido a un proceso de horneado a baja temperatura.  Así, sus partículas no se funden del todo: se ablandan y quedan pegadas, dejando poros por donde se cuela el agua que rezuma. El material arcilloso  queda impregnado de agua. Los billones de partículas de esta arcilla presentan una enorme superficie de contacto arcilla/agua, la cual, en un botijo mediano, puede llegar a algunos centenares de metros cuadrados. Esta agua, en los huecos mínimos que se comunican por un efecto de superficie, adquiere una estructura especial que la hace más idónea para captar y almacenar las propiedades transmitidas por la arcilla, un silicato de aluminio con estructuras tetraédricas y las propiedades escalares del silicio.
3- Escoger preferentemente botijos de arcilla blanca o caolín, los cuales son más porosos, procurando que entre la parte lateral y la cúpula tengan una curvatura más o menos hiperbólica, además de estéticamente son más armoniosos

En Wikipedia, el principio de funcionamiento del botijo es el siguiente: el agua se filtra por los poros de la arcilla y en contacto con el ambiente seco exterior (característica del clima mediterráneo), se evapora, produciendo un enfriamiento (2,219 kilojulios por gramo de agua evaporada). La clave del enfriamiento está pues en la evaporación del agua exudada ya que disipa la energía térmica del agua del botijo.

La ecuación del botijo
En el mes de agosto de 1994 un artículo en la prensa presenta que dos profesores de Química de la Escuela Técnica Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid descubren la fórmula del enfriamiento del agua en el popular recipiente del botijo e integran en una sola fórmula todas las variables que actúan para que este tipo de recipiente enfríe el agua, en dos ecuaciones diferenciales.

La historia es algo así: Gabriel Pinto, uno de los docentes, en 1990 comentaba que hacía tres años compró un botijo y se dispuso, a ratos libres, a recoger la temperatura del agua para comprobar que realmente enfriaba.  Puso el botijo lleno de agua dentro de una estufa de laboratorio que mantenía la temperatura a 40 grados, e introdujo un termómetro en la boca del recipiente, por donde se le echa, el líquido. Pinto, comprobó, que a medida que se evaporaba el agua la que quedaba almacenada en el recipiente se iba enfriando. Es el mismo procesó físico que el de la sudoración, empleado por nuestro cuerpo para regular la temperatura. Pero lo que verdaderamente perseguía Pinto era la fórmula matemática, la ecuación o conjunto de ecuaciones que integraran las distintas variables y que fueran capaces de prever la capacidad de enfriamiento de cualquier botijo. Comentaba en aquel artículo que comprobó que el botijo, con tres litros de agua, en 15 minutos perdía 20 gramos de líquido y conseguía que la temperatura descendiera 2 grados; en una hora ya eran 8 grados menos, y en tres horas, 13 grados. Después, a partir de siete horas y media, la temperatura comenzaba a subir, debido a que ya se había evaporado medio litro de agua. Pinto se puso manos a la obra, pero tropezó, una y otra vez, con el mismo problema: la ecuación resultante confería al botijo, teóricamente, la facultad de enfriar el agua eternamente, cosa que cualquier usuario sabe que no es cierta. Había contado con las fórmulas que relacionaban el volumen y la forma geométrica del botijo, con las del aporte de calor que llega al recipiente desde el exterior y con las de la tendencia no dejarse enfriar. Tampoco había olvidado las que rigen el descenso de temperatura del agua almacenada por el proceso de evaporación del líquido perdido. A pesar de todo no encontraba el quid. Un tiempo después conoció en la escuela a José Ignacio Zubizarreta, al que interesó el experimento. Descubrió que todo lo que había hecho Pinto estaba bien pero faltaba un detalle: no se había contado con el calor de radiación que aporta el aire que encierra el recipiente según se va vaciando de agua. Añadieron  una última fórmula a la ecuación y los números resultantes coincidieron con los datos que había obtenido Pinto en un principio. Lo que fue una investigación con carácter pedagógico,  lo recogieron internacionalmente  en la revista Chemical Engineering Education vol.29 de 1995.

Resultados experimentales
Los dos profesores publicaron los siguientes resultados experimentales:
En un botijo clásico se introdujeron 3,2 litros de agua a 39ºC y se sometió a un ambiente con esa misma temperatura y humedad relativa del 42%. Cada cierto tiempo se midió la masa total del botijo (para evaluar así la masa perdida por evaporación) y la temperatura del agua. Se observó que, en unas 7 horas el agua se enfría 15ºC, alcanzando los 24ºC. A partir de ese momento, el agua empieza a calentarse muy lentamente y, en la fase final, al cabo de tres días, la temperatura de las últimas gotas que quedan de agua es prácticamente la temperatura del ambiente.

Las ecuaciones 
El modelo seguido, que se encontró válido para explicar los resultados experimentales, supone una geometría esférica para el botijo, y se basa en procesos de transferencias de calor y masa bien conocidos.  El esquema del modelo seguido es el de la figura 2 de este artículo:

La primera ecuación a considerar.

Dos ecuaciones diferenciales describen el proceso que tiene lugar:

Donde las magnitudes implicadas son:
V, volumen o masa de agua
CP, capacidad calorífica del agua 
T ó q, temperatura del agua 
t, tiempo 
hC, coeficiente de convección 
a, superficie externa del agua
TG ó qG, temperatura del aire
TS ó qS, temperatura de la superficie del agua 
Fe s, coeficiente de radiación de calor
4p r2, superficie total del botijo
s, superficie del agua en contacto con el aire
U, coeficiente de transmisión de calor del agua
l W, calor de vaporización del agua
K', coeficiente de transferencia de masa para el agua
HS, humedad de saturación
H, humedad del aire

Esquema del modelo de las fuerzas que intervienen en el mecanismo del botijo.

Test termodinámico de la Fundación Tierra
Durante un día del mes de julio de 2007 se realizó un seguimiento de funcionamiento de un botijo de arcilla blanca instalado en un piso situado en Manresa, Barcelona. El método empleado fue la medición continua de los valores temperatura y humedad relativa utilizando un termo higrómetro. Con un termómetro láser se midió de forma consecutiva la temperatura ambiente sobre la pared vertical cercana al botijo y a la misma altura de este y seguidamente se midió la superficie exterior del botijo en zona de presencia de agua producto de exudación, variable a lo largo del día conforme se va consumiendo el agua contenida. Un termómetro de varilla sonda se utilizó para verificar / contrastar la temperatura interior del agua contenida en el botijo. 

Durante las mediciones.

La vivienda cuenta con una orientación principal suroeste, y dispone de una conexión de ventilación cruzada con la orientación opuesta noroeste. El botijo está ubicado en un pasillo interior que está expuesto a la corriente de aire cruzado y está colgado del techo en base a la propuesta de la campaña, Botijos contra el cambio climático, utilizando el kit recomendado, quedando a la altura de 1 metro sobre el nivel del suelo cuando la carga de volumen de agua es completa. El botijo utilizado es de arcilla blanca, pesa 1,6 kg y tiene una capacidad de 2,5 litros. 

Los resultados obtenidos fueron de un gradiente térmico de 10 Cº de diferencia entre la temperatura ambiental envolvente y la temperatura del agua contenida en el interior del botijo. La variable de temperatura ambiental osciló entre los 22 y 30ºC y la humedad relativa entre 31 y 84%. La temperatura ambiental máxima, recogida en las horas de mayor necesidad de consumo de agua refrescada fue de 30ºC y la temperatura media durante esos momentos del agua contenida en el botijo fue de 20ºC.

Aparatos empleados en el test de la Fundación Tierra: un termómetro laser, un termohigrómetro y un termómetro de varilla.

Test de usabilidad del kit de colgado propuesto por Fundación Tierra
La vivienda modelo está ocupada por tres miembros, dos adultos y un adolescente. La altura elegida para ubicar el botijo con carga plena ha sido de 1 metro de altura desde el suelo, que coincide algo a la baja con la altura del usuario de menor altura. El cordón elástico trenzado con hilo de poliéster de alta tenacidad y 6 mm de grueso permite el levantamiento del botijo con el mínimo esfuerzo muscular al recuperar la tensión el cordón, haciendo muy cómodo el uso y retorno del botijo. Conforme el volumen de agua interior va mermando la altura del botijo sobre el suelo va incresendo.