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Disipación

En termodinámica , la disipación es el resultado de un proceso irreversible que afecta a un sistema termodinámico . En un proceso disipativo, la energía ( interna , cinética de ...

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En termodinámica , la disipación es el resultado de un proceso irreversible que afecta a un sistema termodinámico . En un proceso disipativo, la energía ( interna , cinética de flujo masivo o potencial del sistema ) se transforma de una forma inicial a una forma final, donde la capacidad de la forma final para realizar trabajo termodinámico es menor que la de la forma inicial. Por ejemplo, la transferencia de energía en forma de calor es disipativa porque es una transferencia de energía distinta del trabajo termodinámico o de la transferencia de materia, y dispersa energía previamente concentrada. Según la segunda ley de la termodinámica , en la conducción y la radiación de un cuerpo a otro, la entropía varía con la temperatura (reduce la capacidad de la combinación de los dos cuerpos para realizar trabajo), pero nunca disminuye en un sistema aislado.

En ingeniería mecánica , la disipación es la conversión irreversible de energía mecánica en energía térmica con un aumento asociado de la entropía. [ 1 ]

Los procesos con temperatura local definida generan entropía a una determinada tasa. La tasa de producción de entropía multiplicada por la temperatura local da como resultado la potencia disipada . Ejemplos importantes de procesos irreversibles son: el flujo de calor a través de una resistencia térmica , el flujo de fluidos a través de una resistencia al flujo, la difusión (mezcla), las reacciones químicas y el flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica ( calentamiento Joule ).

Definición

Los procesos termodinámicos disipativos son esencialmente irreversibles porque producen entropía . Planck consideraba la fricción como el ejemplo principal de un proceso termodinámico irreversible. [ 2 ] En un proceso en el que la temperatura se define localmente de forma continua, la densidad local de la tasa de producción de entropía multiplicada por la temperatura local da la densidad local de potencia disipada.

Un proceso disipativo particular no puede describirse mediante un único formalismo hamiltoniano . Requiere un conjunto de descripciones hamiltonianas individuales admisibles, desconociéndose cuál describe con precisión el proceso en cuestión. Esto incluye la fricción, el impacto y todas las fuerzas similares que provocan la decoherencia de la energía , es decir, la conversión de un flujo de energía coherente o dirigido en una distribución indirecta o más isotrópica .

Energía

"La conversión de energía mecánica en calor se llama disipación de energía." – François Roddier [ 3 ] El término también se aplica a la pérdida de energía debida a la generación de calor no deseado en circuitos eléctricos y electrónicos.

Física computacional

En física computacional , la disipación numérica (también conocida como " difusión numérica ") se refiere a ciertos efectos secundarios que pueden ocurrir como resultado de la solución numérica de una ecuación diferencial. Cuando la ecuación de advección pura , que no presenta disipación, se resuelve mediante un método de aproximación numérica, la energía de la onda inicial puede reducirse de forma análoga a un proceso de difusión. Se dice que dicho método contiene "disipación". En algunos casos, se añade intencionalmente "disipación artificial" para mejorar las características de estabilidad numérica de la solución. [ 4 ]

Matemáticas

En el artículo " conjunto errante" se ofrece una definición formal y matemática de disipación, tal como se utiliza comúnmente en el estudio matemático de sistemas dinámicos que preservan la medida .

Ejemplos

En ingeniería hidráulica

La disipación es el proceso de convertir la energía mecánica del agua que fluye hacia abajo en energía térmica y acústica. En los lechos de los ríos se diseñan diversos dispositivos para reducir la energía cinética del agua y disminuir su potencial erosivo en las riberas y el fondo . Con frecuencia, estos dispositivos se asemejan a pequeñas cascadas o saltos de agua , donde el agua fluye verticalmente o sobre escolleras para perder parte de su energía cinética .

Procesos irreversibles

Ejemplos importantes de procesos irreversibles son:

  1. Flujo de calor a través de una resistencia térmica
  2. Flujo de fluido a través de una resistencia al flujo
  3. Difusión (mezcla)
  4. Reacciones químicas [ 5 ] [ 6 ]
  5. Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica ( calentamiento Joule ).

Ondas u oscilaciones

Las ondas u oscilaciones pierden energía con el tiempo , generalmente debido a la fricción o la turbulencia . En muchos casos, la energía "perdida" eleva la temperatura del sistema. Por ejemplo, se dice que una onda que pierde amplitud se disipa. La naturaleza precisa de los efectos depende de la naturaleza de la onda: una onda atmosférica , por ejemplo, puede disiparse cerca de la superficie debido a la fricción con la masa terrestre, y a niveles superiores debido al enfriamiento radiativo .

Historia

El concepto de disipación fue introducido en el campo de la termodinámica por William Thomson (Lord Kelvin) en 1852. [ 7 ] Lord Kelvin dedujo que un subconjunto de los procesos disipativos irreversibles mencionados anteriormente ocurrirá a menos que un proceso esté regido por una "máquina termodinámica perfecta". Los procesos que Lord Kelvin identificó fueron la fricción, la difusión, la conducción de calor y la absorción de luz.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Escudier, Marcel; Atkins, Tony (2019). Diccionario de ingeniería mecánica (2.ª  ed.). Oxford University Press. doi : 10.1093/acref/9780198832102.001.0001 . ISBN 978-0-19-883210-2.
  2. ^ Planck, M. (1926). "Über die Begründung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik", Sitzungsber. Preuss. Akád. Wis., Phys. Matemáticas. kl. , 453—463.
  3. ^ Roddier F., Thermodynamique de l'évolution (La termodinámica de la evolución) , parole éditions, 2012
  4. ↑ Thomas, JW. Ecuaciones diferenciales parciales numéricas: métodos de diferencias finitas. Springer-Verlag. Nueva York. (1995)
  5. ↑ Glansdorff, P., Prigogine, I. (1971). Teoría termodinámica de la estructura, la estabilidad y las fluctuaciones , Wiley-Interscience, Londres, 1971, ISBN 0-471-30280-5, pág. 61.
  6. ↑ Eu, BC (1998). Termodinámica del no equilibrio: método de conjunto , Kluwer Academic Publications, Dordrecht, ISBN 0-7923-4980-6, pág. 49,
  7. ↑ W. Thomson Sobre la tendencia universal en la naturaleza a la disipación de la energía mecánica Philosophical Magazine, Ser. 4, p. 304 (1852).

Referencias generales

  • «Sistema disipativo, un sistema que pierde energía en el transcurso de su evolución temporal». Benenson, W.; Harris, JW; Stocker, H.; Lutz, H. (2002). «6.1.3». Handbook of Physics . Nueva York, NY: Springer-Verlag. pág. 219. ISBN  978-0-387-21632-4.
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