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Mucho más que una simple transferencia de calor

Denisse Joana Flores
8/oct/2012

Un constante "juego de intercambio" entre corrientes que suben y bajan pareciera una descripción sencilla de lo que la palabra convección implica, pero transportar calor dentro de un fluido a zonas con temperaturas diferentes tiene su "magia".

"La convección natural, forzada y mixta, ha sido ampliamente estudiada debido a que está presente y tiene un rol determinante en muchos de los flujos que nos rodean", se lee en la tesis de doctorado de Juan Carlos Cajas García, joven físico quien presentó su charla: "Análisis de la producción de entropía y pérdida de simetría para flujos en convección natural y mixta" en el Seminario de Estudiantes el pasado 3 de septiembre.

El investigador explicó que la convección puede encontrarse en corrientes atmosféricas y oceánicas, así como en un gran número de dispositivos intercambiadores de calor, colectores solares e inclusive en reactores nucleares.

El estudio de los sistemas en los que ocurren tales procesos de transferencia de calor no es nada sencillo. Incluso cuando los sistemas particulares a investigar parecen muy simples, la respuesta del fluido puede ser muy compleja.

Cajas García, consciente del reto que ello implica, aseguró que el estudio de estos fenómenos puede ser muy útil desde el punto de vista técnico y tecnológico. "Desde el lado de la física se puede aportar información muy valiosa en el campo de la ingeniería para asistir en diseños, para resolver problemas o para identificar fallas. Y por sí mismos, son sistemas realmente interesantes desde el punto de vista dinámico y termodinámico", explicó.

Para su investigación doctoral, el físico estudió dos sistemas: una cavidad y un canal vertical, ambos de aspecto grande y fuentes de calor simétricas. En el primer caso se trata de una convección natural (movimiento del fluido por variaciones en la densidad), mientras que en el segundo sistema se presenta la convección mixta (mezcla la convección natural con una forzada, en la que la gravedad fuerza al fluido a moverse).



El gráfico de la izquierda es una representación esquemática del canal vertical, mientras que el gráfico de la derecha representa la cavidad. Imagen: J.C. Cajas.

Para esta tarea Cajas utilizó ecuaciones de movimiento, las cuales "son el resultado de fusionar la mecánica clásica con la termodinámica a través de la hipótesis del medio continuo, permitiendo aplicar los principios fundamentales de conservación de masa, energía y momentum a elementos infinitesimales de fluido y obtener las relaciones diferenciales que lo gobiernan", explica la tesis del investigador.

Los hallazgos de su proyecto doctoral muestran fenómenos como la pérdida de simetría, la transferencia de calor, la producción de entropía (energía que no se aprovecha) y en particular destaca el descubrimiento de un proceso denominado "rodear-engullir", el cual es irreversible y es el principal mecanismo de transferencia de calor y producción de entropía, el cual se presentó en el sistema de cavidad con convección natural.

Este particular fenómeno consiste en confinar porciones de fluido de baja temperatura por fluido de temperatura mayor, es decir, el fluido de mayor temperatura "rodea" al de baja temperatura, mientras que el proceso de "engullir" consiste en el traslado de estas porciones de fluido frío hacia la parte baja de la cavidad, la cual tiene una temperatura más alta.



En esta imagen puede observarse la evolución de la temperatura en distintos momentos. Se percibe la ruptura de simetría, así como el proceso "rodear-engullir". Imagen: J.C. Cajas.

Sus resultados en el análisis de la convección en diferentes sistemas ya han sido publicados en por lo menos tres artículos en revistas indexadas y ahora el joven investigador busca realizar una estancia posdoctoral en el extranjero para continuar sus estudios en mecánica de fluidos.

"Nos interesa primordialmente, más que la aplicación, el comportamiento del flujo, la respuesta del líquido, conocer más sobre la física del fluido en estas condiciones; y sin embargo, desde este punto de vista damos información cuantitativa muy valiosa para el diseño de aplicaciones prácticas", dijo Cajas a Noticias IFUNAM.



Juan Carlos Cajas, luego de su charla en el Seminario de Estudiantes del IFUNAM./Foto: Pedro Zaldívar Sánchez.

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Link a artículo en Physical Review E:

http://pre.aps.org/abstract/PRE/v84/i4/e046310