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Simulado el cambio de fase en los fluidos

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Tras años de investigación, un equipo de la Universidad de Rochester ha encontrado el modelo matemático que permitirá simular con detalle el cambio de fase en los fluidos. Todo el mundo sabe que cuando el agua hierve, parte de ella se transforma en vapor, y esa proporción de vapor de agua crece a medida que aumenta la temperatura. Pero, ¿cómo sucede en realidad ese cambio de estado? ¿Qué es lo que ocurre en el momento exacto en el que el agua deja su estado líquido para convertirse en vapor?

El mayor problema al que se enfrentaban los científicos para conseguir simuladores de cambio de estado es el llamado frenado crítico (traducción libre de critical slowdown). Este fenómeno hace que los tiempos de cómputo necesarios para simular un cambio de estado pueden tender eventualmente a infinito. En el caso de gas a líquido, esto se ve facilmente. En estado de vapor, las moléculas de agua se mueven aleatoriamente, y los desplazamientos entre moléculas están incorrelacionados. Es decir, el movimiento de una molécula no depende (probabilísticamente hablando, al menos) de los movimientos del resto de moléculas. Cuando la temperatura desciende, el gas pierde energía y los movimientos van ralentizándose, y empiezan a depender de los movimientos de las partículas vecinas. Quiere decir esto que los movimientos presentan correlación, y el alcance de la misma aumenta a la vez que la temperatura desciende. Los cálculos involucrados en estos puntos críticos son suficientes como para hacer inviable simuladores suficientemente precisos, y esto ha llevado al desarrollo del nuevo modelo, no sin grandes esfuerzos. El equipo de físicos de la Universidad de Rochester creó un modelo para aproximarse a la clave de estos cambios de fase. El modelo de simulación consiste en disponer dos recipientes con fluido en equilibrio y cerca del punto crítico, es decir, del punto en el que se producirá un cambio de estado. La única diferencia entre ambos recipientes es la presión a la que se somete el fluido. Estas diferencias de presión permiten a los fluidos (recordemos que estamos hablando de una simulación) mezclarse en el momento en el que ambos contenedores son conectados.

Una vez conectados ambos recipientes, los fluidos se mezclan correctamente y tenderán a una estado de equilibrio termodinámico. La observación de la velocidad a la que se alcanza ese equilibrio es un dato que sirve a los investigadores para inferir el comportamiento de los fluidos en el punto crítico. Además de estas simulaciones, los resultados del experimento han sido comprobados en entornos de mmicrogravedad en el espacio. El cambio de estado en fluidos no se reduce sólo al cambio de hielo a agua y de agua a vapor y viceversa, sino que se produce en multitud de fluidos diferentes, y tiene aplicaciones prácticas como puede ser la separación de una mezcla de liquidos en sus componentes individuales.

Vía | University of Rochester

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