TERMODINÁMICA

relación de Bowen se usa para describir el tipo de transferencia de calor para una superficie que tiene humedad. La transferencia de calor puede ocurrir como calor sensible (diferencias en la temperatura sin evapotranspiración ) o calor latente (la energía requerida durante un cambio de estado, sin un cambio en la temperatura). La relación de Bowen es el método matemático generalmente utilizado para calcular el calor perdido (o ganado) en una sustancia; es la relación de flujos de energía de un estado a otro por calor sensible y calor latente, respectivamente. Se calcula mediante la ecuación:

$${\ displaystyle B = {\ frac {Q_ {h}} {Q_ {e}}}},

dónde $${\ displaystyle Q_ {h}} es sensible al calor y $${\ displaystyle Q_ {e}}Es calentamiento latente. La cantidad fue nombrado por Harald Sverdrupdespués Ira Sprague Bowen (1898 a 1973), un astrofísico cuyo teórico trabajo en la evaporación al aire de los cuerpos de agua hecho primero uso de ella, y se utiliza más comúnmente en la meteorología y la hidrología . En este contexto, cuando la magnitud de$${\ displaystyle B} es menor que uno, una mayor proporción de la energía disponible en la superficie pasa a la atmósfera como calor latente que como calor sensible, y lo contrario es cierto para valores de $${\ displaystyle B}mayor que uno Como$${\ displaystyle {Q_ {e} \ rightarrow 0}}, sin embargo, $${\ displaystyle B}se convierte en ilimitado, lo que hace que la relación de Bowen sea una mala elección de variable para usar en fórmulas, especialmente para superficies áridas. Por esta razón, la fracción evaporativa es a veces una opción más apropiada de variable que representa las contribuciones relativas de los flujos de energía turbulenta al presupuesto de energía de la superficie.

La relación de Bowen está relacionada con la fracción evaporativa, $${\ displaystyle EF}, a través de la ecuación,

$${\ displaystyle {EF = {\ frac {Q_ {e}} {Q_ {e} + Q_ {h}}} = {\ frac {1} {1 + B}}}}.

La relación de Bowen es un indicador del tipo de superficie. La relación de Bowen,$${\ displaystyle {B}}, es menor que uno sobre superficies con abundantes suministros de agua.

Tipo de superficie	Rango de ratios de Bowen
Desiertos	> 10.0
Paisajes semiáridos.	2.0-6.0
Bosques templados y pastizales.	0.4-0.8
Selvas tropicales	0.1-0.3
Océanos tropicales	<0 .1="" font="">

 temperatura de Boyle se define formalmente como la temperatura para la cual el segundo coeficiente virial ,$${\ displaystyle B_ {2} (T)}se convierte en cero. Es a esta temperatura que las fuerzas atractivas y las fuerzas repulsivas que actúan sobre las partículas de gas se equilibran.

$${\ displaystyle p = RT \ left ({\ frac {1} {V_ {m}}} + {\ frac {B_ {2} (T)} {V_ {m} ^ {2}}} + \ dots \ Correcto)}

Esta es la ecuación de estado virial y describe un gas real . Dado que los coeficientes viriales de orden superior son generalmente mucho más pequeños que el segundo coeficiente, el gas tiende a comportarse como un gas ideal en un rango más amplio de presiones cuando la temperatura alcanza la temperatura de Boyle (o cuando$${\ textstyle c = {\ frac {1} {V_ {m}}}} o p se minimizan).

En cualquier caso, cuando las presiones son bajas, el segundo coeficiente virial será el único relevante porque el resto se refiere a los términos de mayor orden en la presión. Entonces tenemos

$${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} Z} {\ mathrm {d} p}} = 0 \ qquad {\ mbox {if}} p = 0}

dónde $${\ displaystyle Z}Es el factor de compresibilidad .

Por despreciable $${\ displaystyle b}, usando la ecuación de van der Waals , uno puede probar$${\ displaystyle T_ {b} = {\ frac {a} {Rb}}}.

Los motores brownianos son nanoescala o dispositivos moleculares mediante los cuales se controlan los procesos activados térmicamente (reacciones químicas) para generar un movimiento dirigido en el espacio y realizar trabajos mecánicos o eléctricos. Estos pequeños motores funcionan en un entorno donde la viscosidaddomina la inercia y donde el ruido térmico hace que moverse en una dirección específica sea tan difícil como caminar en un huracán: las fuerzas que impulsan estos motores en la dirección deseada son minúsculas en comparación con las fuerzas aleatorias ejercidas por el motor. ambiente. Debido a que este tipo de motor depende en gran medida del ruido térmico aleatorio, los motores Brownian solo son factibles a escala nanométrica.

El término "motor browniano" fue originalmente acuñado por Peter Hänggi en 1995: una característica distintiva de un motor browniano es, en contraste con un motor molecular, que la respuesta de salida generalmente está acoplada de manera no flexible a la perturbación de entrada y la acción de las fluctuaciones. ^[1]

En biología, muchos motores moleculares basados ​​en proteínas en la célula pueden, de hecho, ser motores brownianos. Estos motores moleculares convierten la energía química presente en el ATP en energía mecánica. Un ejemplo de un motor browniano sería un motor ATPasa que hidroliza el ATP para generar potenciales energéticos anisotrópicos fluctuantes. Los potenciales anisotrópicos a lo largo del camino sesgarían el movimiento de una partícula (como un ion o un polipéptido); El resultado sería esencialmente la difusión de una partícula cuyo movimiento neto está fuertemente sesgado en una dirección. La translocación de la partícula solo se acoplaría de manera flexible a la hidrólisis de ATP.

La dinámica y la actividad de los motores brownianos son temas actuales de estudio en biofísica teórica y experimental . Los motores brownianos a veces se modelan utilizando la ecuación de Fokker-Planck o con los métodos de Monte Carlo . Muchos investigadores están actualmente comprometidos en comprender cómo funcionan los motores a escala molecular en entornos con ruido térmico no despreciable. La termodinámica de tales motores está limitada por las ramificaciones de los teoremas de fluctuación , teoremas de cuantificación de bombeo, ^[2] y teoremas de restricción de bombeo.

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El potencial de Buckingham es una fórmula propuesta por Richard Buckingham que describe el principio de exclusión de Pauli y la energía de van der Waals. $${\ displaystyle \ Phi _ {12} (r)}para la interacción de dos átomos que no están directamente unidos en función de la distancia interatómica $${\ displaystyle r}. Es una variedad de potenciales interatómicos .

$${\ displaystyle \ Phi _ {12} (r) = A \ exp \ left (-Br \ right) - {\ frac {C} {r ^ {6}}}}

Aquí, $${\ displaystyle A}, $${\ displaystyle B} y $${\ displaystyle C}son constantes Los dos términos en el lado derecho constituyen una repulsión y una atracción, porque sus primeros derivados con respecto a$${\ displaystyle r} Son negativos y positivos, respectivamente.

Buckingham propuso esto como una simplificación del potencial de Lennard-Jones , en un estudio teórico de la ecuación de estado para el helio gaseoso , el neón y el argón . ^[1]

Como se explica en el artículo original de Buckingham y, por ejemplo, en la sección 2.2.5 del texto de Jensen, ^[2]la repulsión se debe a la interpenetración de los depósitos de electrones cerrados . "Por lo tanto, hay una cierta justificación para elegir la parte repulsiva (del potencial) como una función exponencial ". El potencial de Buckingham se ha utilizado ampliamente en simulaciones de dinámica molecular .

Porque el término exponencial converge a una constante como $${\ displaystyle r}→$${\ displaystyle 0}, mientras que la $${\ displaystyle r ^ {- 6}} término difiere, el potencial de Buckingham se vuelve atractivo a medida que $${\ displaystyle r}se vuelve pequeño. Esto puede ser problemático cuando se trata de una estructura con distancias interatómicas muy cortas, ya que cualquier núcleo que cruce un cierto umbral se unirá fuertemente (y de manera no física) entre sí a una distancia de cero. ^[2]

Coulomb – potencial de Buckingham [ editar ]

Ejemplo de curva de potencial de Coulomb-Buckingham.

El potencial de Coulomb-Buckingham es una extensión del potencial de Buckingham para la aplicación a sistemas iónicos (por ejemplo, materiales cerámicos ). La fórmula para la interacción es

$${\ displaystyle \ Phi _ {12} (r) = A \ exp \ left (-Br \ right) - {\ frac {C} {r ^ {6}}} + {\ frac {q_ {1} q_ { 2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} r}}}

donde A , B y C son constantes adecuadas y el término adicional es la energía potencial electrostática .

La ecuación anterior se puede escribir en su forma alternativa como

$${\ displaystyle \ Phi (r) = \ varepsilon \ left ({\ frac {6} {\ alpha -6}} \ exp \ alpha \ left (1 - {\ frac {r} {r_ {0}}} \ derecha) - {\ frac {\ alpha} {\ alpha -6}} \ left ({\ frac {r_ {0}} {r}} \ right) ^ {6} \ right) + {\ frac {q_ { 1} q_ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} r}}}

dónde $${\ displaystyle r_ {0}} es la distancia mínima de energía, $${\ displaystyle \ alpha} Es un parámetro adimensional y libre. $${\ displaystyle \ varepsilon} Es la profundidad de la energía mínima.

Frío es la presencia de bajas temperaturas , especialmente en la atmósfera. ^[4] En el uso común, el frío es a menudo una percepción subjetiva . Un límite inferior a la temperatura es cero absoluto , definido como 0.00  K en la escala de Kelvin , una escala de temperatura termodinámica absoluta . Esto corresponde a −273.15 ° C en la escala Celsius , −459.67 ° F en la escala Fahrenheit y 0.00 ° R en la escala Rankine .

Dado que la temperatura se relaciona con la energía térmicacontenida en un objeto o una muestra de materia, que es la energía cinética del movimiento aleatorio de los constituyentes de partículas de la materia, un objeto tendrá menos energía térmica cuando está más frío y más cuando está más caliente. . Si fuera posible enfriar un sistema a cero absoluto, todo el movimiento de las partículas en una muestra de materia se detendría y quedaría completamente en reposo en este sentido clásico . El objeto sería descrito como que tiene cero energía térmica. Microscópicamente en la descripción de la mecánica cuántica , sin embargo, la materia todavía tiene energía de punto cero incluso en el cero absoluto, debido al principio de incertidumbre .

Enfriamiento

Artículo principal: Refrigeración.

Enfriamiento se refiere al proceso de enfriarse o disminuir la temperatura. Esto podría lograrse eliminando el calor de un sistema o exponiendo el sistema a un ambiente con una temperatura más baja.

Los refrigerantes son fluidos que se utilizan para enfriar objetos, evitar la congelación y evitar la erosión en las máquinas. ^[5]

La refrigeración por aire es el proceso de enfriar un objeto al exponerlo al aire . Esto solo funcionará si el aire está a una temperatura más baja que el objeto, y el proceso puede mejorarse aumentando el área de la superficie o disminuyendo la masa del objeto. ^{[6] [se necesita mejor fuente ]}

Otro método común de enfriamiento es exponer un objeto al hielo , hielo seco o nitrógeno líquido . Esto funciona por convección ; el calor se transfiere desde el objeto relativamente caliente al refrigerante relativamente frío. ^[7]

El enfriamiento por láser y el enfriamiento por evaporación magnéticason técnicas utilizadas para alcanzar temperaturas muy bajas. ^[8] [9]

Historia

Historia temprana

En la antigüedad, el hielo no se adoptaba para la conservación de alimentos, sino que se utilizaba para enfriar el vino que los romanos también habían hecho. Según Plinio , el emperador Nerón inventó el cubo de hielo para enfriar los vinos en lugar de agregarlos al vino para enfriarlo, ya que lo diluiría. ^[10]

En algún momento alrededor del año 1700 a. C., Zimri-Lim , rey del Reino Mari en el noroeste de Irak, había creado una "casa de hielo" llamada shurpin bit en una ubicación cercana a su ciudad capital a orillas del Éufrates . En el siglo séptimo antes de Cristo, los chinos habían utilizado las casas de hielo para conservar verduras y frutas. Durante el gobierno de la dinastía Tang en China (618 -907 dC), un documento se refiere a la práctica de usar hielo que estuvo de moda durante la Dinastía Chou Oriental (770 -256 aC) por 94 trabajadores empleados para el "Servicio de Hielo" para congelar todo. Del vino a los cuerpos muertos. ^[10]

Shachtman dice que en el siglo IV dC, Nintoku , el emperador japonés recibió un regalo de su hermano de hielo de una montaña. El Emperador estaba tan feliz con el regalo que nombró el primero de junio como el "Día del Hielo" y ceremoniosamente le dio bloques de hielo a sus oficiales. ^[10]

Incluso en la antigüedad, dice Shachtman, en Egipto e India, el enfriamiento nocturno por evaporación del agua y la radiación de calor, y la capacidad de las sales para disminuir la temperatura de congelación del agua se practicaba. Los antiguos pueblos de Roma y Grecia sabían que el agua hervida se enfriaba más rápido que el agua ordinaria; La razón de esto es que con la ebullición del agua se eliminan el dióxido de carbono y otros gases que son elementos disuasorios para el enfriamiento; Pero este hecho no se conoció hasta el siglo XVII. ^[10]

Del siglo XVII

Según Tom Shachtman , hasta principios del siglo XVII el frío era considerado un misterio sin fuente que estaba relacionado con la muerte; Inexplicable y demasiado temible para investigar. La refrigeración por medios artificiales fue una idea abominable, ya que el pensamiento era para la refrigeración natural, aunque muchos de los bienes de consumo perecieron sin ningún esfuerzo hacia la refrigeración. A principios de la década de 1700, nadie intentó mejorar la eficacia de la salud, el transporte o las comunicaciones al dominar el conocimiento del frío, ni hubo ningún esfuerzo por mejorar el nivel de comodidad de las personas mediante la adopción adecuada del frío. Las razones para la conversión de nieve en el cielo en agua, en la tierra, razón para la formación de copos de nieve., sus características resbaladizas no fueron comprendidas. Las medidas de nieve no eran conocidas. ^[11]

Shachtman dice que fue Cornelis Jacobszoon Drebbel quien fue nombrado en 1608 por James Stuart, rey de Inglaterra, que creyó en los magos para realizar trucos mágicos como para producir rayos, leones, pájaros, hojas temblorosas, etc. Fue Drebbel, en 1620, quien demostró un experimento en la Abadía de Westminster al rey y sus cortesanos sobre el poder del frío. ^[12]En un día de verano, dice Shachtman, Drebbel había creado un escalofrío (bajó la temperatura varios grados) en el salón de la Abadía, lo que hizo que el rey se estremeciera y saliera corriendo con su séquito. Este fue un espectáculo increíble, dice Shachtman. En una ocasión anterior, varios años atrás, Giambattista dells Porta había demostrado en la Abadía "jardines de fantasía de hielo, intrincadas esculturas de hielo" y también bebidas heladas para banquetes en Florencia . La única referencia a la congelación artificial creada por Drebbel estaba en una referencia de Francis Bacon . Su demostración no fue tomada en serio, ya que fue considerada como uno de sus trucos de magia, ya que no había una aplicación práctica en ese momento. Drebbel no había revelado sus secretos. ^[13]

Lord Chancellor Bacon, dice que Shachtman, quien defendía la ciencia experimental en la publicación Navum Organum publicada en la última parte de la década de 1620, intentó explicar el experimento de congelación artificial en la Abadía de Westminster, aunque no estuvo presente durante la manifestación, como " "El nitro (o más bien su espíritu) es muy frío, y por lo tanto el nitro o la sal cuando se agregan a la nieve o al hielo intensifican el frío de este último, el nitre se agrega a su propio frío, pero la sal al suministrar actividad a la nieve fría". Esta explicación sobre los aspectos que inducen el frío del nitro (ahora conocido como nitrato de potasio ) y la sal fue probada por muchos científicos. ^[14]

Shachtman dice que fue la falta de conocimiento científico en física y química que había frenado el progreso en el uso del hielo con fines benéficos hasta que el despertar se produjo en el siglo XVII, provocado por un cambio drástico en la transformación de la sociedad en los pensamientos religiosos. Francis Bacon y Robert Boyle,quienes lo siguieron en esta búsqueda del conocimiento del frío, rompieron la barrera intelectual . ^[15] Boyle realizó una extensa experimentación durante el siglo XVII en la disciplina del frío, y su investigación relacionada con la presión y el volumen fue el precursor de la investigación en el campo del frío durante el siglo XIX. Explicó su enfoque como "la identificación de Bacon del calor y el frío como las manos derecha e izquierda de la naturaleza". ^[dieciséis]Boyle también refutó algunas de las teorías discutidas por Aristóteles sobre el frío al experimentar la transmisión del frío de un material a otro. Demostró que el agua no era la única fuente de frío, sino que el oro, la plata y el cristal, que no tenían contenido de agua, también podían cambiar a condiciones de frío severo. ^[17]

Siglo 19

En los Estados Unidos, desde aproximadamente 1850 hasta finales del siglo XIX, la exportación de hielo fue superada solo por el algodón. La primera caja de hielo fue desarrollada por Thomas Moore, un granjero de Maryland en 1810 para llevar mantequilla en una tina de madera de forma ovalada. La tina estaba provista de un revestimiento de metal en su interior y rodeada por un paquete de hielo. Se usó una piel de conejo como aislante. Moore también desarrolló una caja de hielo para uso doméstico con el contenedor construido en un espacio de 6 pies cúbicos (0,17 m ^3).) que estaba lleno de hielo. En 1825, Nathaniel J. Wyeth inventó la recolección de hielo mediante el uso de un dispositivo de corte de hielo tirado por caballos. Los bloques cortados de hielo de tamaño uniforme eran un método barato de conservación de alimentos ampliamente practicado en los Estados Unidos. También desarrollado en 1855 fue un dispositivo de vapor para transportar 600 toneladas de hielo por hora. Más innovaciones siguieron. Se inventaron dispositivos que utilizan aire comprimido como refrigerante. ^[18]

siglo 20

Las cajas de hielo se usaron ampliamente desde mediados del siglo XIX hasta la década de 1930, cuando se introdujo el refrigerador en el hogar. La mayor parte del hielo que se consumía en el municipio se recolectaba en invierno en áreas cubiertas de nieve o lagos congelados, se almacenaba en depósitos de hielo y se entregaba en el país a medida que las cajas de hielo se hacían más comunes.

En 1913 se inventaron los refrigeradores para uso doméstico. En 1923 Frigidaire presentó la primera unidad autocontenida. La introducción de Freon en la década de 1920 amplió el mercado de refrigeradores durante la década de 1930. ^{[19] Los} congeladores domésticos como compartimientos separados (más grandes de lo necesario solo para cubitos de hielo) se introdujeron en 1940. Los alimentos congelados, anteriormente un artículo de lujo, se convirtieron en algo común.

Efectos fisiologicos

El frío tiene numerosos efectos fisiológicos y patológicos en el cuerpo humano , así como en otros organismos. Los ambientes fríos pueden promover ciertos rasgos psicológicos , además de tener efectos directos en la capacidad de moverse. Temblar es una de las primeras respuestas fisiológicas al frío. ^[20] Las temperaturas frías extremas pueden provocar congelación , sepsis e hipotermia , que a su vez pueden causar la muerte. ^[21]

Destacados lugares fríos y objetos.

Nebulosa Boomerang

Tritón de la luna de Neptuno

• El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado, utilizando una nueva técnica, logró enfriar un tambor mecánico microscópico a 360 microcelvinas , lo que lo convierte en el objeto más frío de la historia. Teóricamente, utilizando esta técnica, un objeto podría enfriarse a cero absoluto. ^[22]
• La temperatura más fría jamás alcanzada es un estado de la materia llamado condensado Bose-Einstein, que Satyendra Nath Bose teorizó por primera vez en 1924 y que fue creado por Eric Cornell , Carl Wieman y colaboradores en JILA el 5 de junio de 1995. Ellos hicieron esto por enfriamiento un vapor diluido que consiste en aproximadamente dos mil rubidio-87 átomos de hasta por debajo de 170 nK (uno nK o nanokelvin se una billonésima (10 ^-9 ) de un kelvin ) utilizando una combinación de enfriamiento por láser (una técnica que ganó su los inventores Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji , yWilliam D. Phillips ( Premio Nobel de física 1997 ) y enfriamiento por evaporación magnética . ^[23]
• La Nebulosa Boomerang es la ubicación natural más fría conocida en el universo , con una temperatura que se estima en 1  K (−272.15 ° C / −457.87 ° F). ^[24]
• Los instrumentos de la nave espacial Planck se mantienen a 0.1 K(−273.05 ° C / −459.49 ° F) a través de enfriamiento pasivo y activo. ^[25]
• Ausente de cualquier otra fuente de calor, la temperatura del Universo es de aproximadamente 2.725 kelvins , debido a la radiación de fondo de microondas Cósmica , un remanente del Big Bang . ^[26]
• El Tritón de la luna de Neptuno tiene una temperatura superficial de −235 ° C (−391 ° F) ^[27]
• Urano con una temperatura de cuerpo negro de 58.2 K (−215.0 ° C, −354.9 ° F). ^[28]
• Saturno con una temperatura de cuerpo negro de 81.1 K (−192.0 ° C, −313.7 ° F). ^[29]
• Mercurio , a pesar de estar cerca del Sol, es realmente frío durante la noche, con una temperatura de aproximadamente −180 ° C (−290 ° F). Mercurio es frío durante la noche porque no tiene atmósfera para atrapar el calor del sol. ^[30]
• Júpiter con una temperatura de cuerpo negro de 110.0 K (−163.2 ° C, −261.67 ° F). ^[31]
• Marte con una temperatura de cuerpo negro de 210.1 K (−63.05 ° C, −81.49 ° F). ^[32]
• El continente más frío de la Tierra es la Antártida . ^[33] El lugar más frío en la Tierra es la meseta antártica , ^[34] un área de la Antártida alrededor del Polo Sur que tiene una altitud de alrededor de 3.000 metros (9.800 pies). La temperatura medida más baja en la Tierra de 183.9 K (−89.2 ° C, −128.6 ° F) se registró allí en la Estación Vostok el 21 de julio de 1983. ^[35] Los polos de frío son los lugares en los hemisferios sur y nortedonde Las temperaturas más bajas del aire se han registrado. ( Ver lista de registros meteorológicos). ^[36]
• Los desiertos fríos del Polo Norte , conocidos como la región de la tundra, experimentan una caída anual de nieve de unos pocos centímetros y las temperaturas registradas son tan bajas como de -94 ° F (-70 ° C). Solo unas pocas plantas pequeñas sobreviven en el suelo generalmente congelado (se descongela solo por un período corto). ^[37]
• Los desiertos fríos del Himalaya son una característica de una zona de sombra de lluvia creada por los picos montañosos de la cordillera del Himalaya que se extiende desde el Nudo de Pamir hasta la frontera sur de la meseta tibetana ; Sin embargo, esta cadena montañosa es también la razón de la caída de la lluvia monzónica en el subcontinente indio . Esta zona está ubicada en una elevación de aproximadamente 3,000 m, y cubre Ladakh , Lahaul , Spiti y Pooh . Además, existen valles internos dentro de los Himalayas principales, como Chamoli , algunas áreas de Kinnaur , Pithoragarh y el norte de Sikkim.que también se clasifican como desiertos fríos. ^[38]

• 

  Antártida
 
• 

  Desierto frío del Himalaya en Ladakh
 
• 

  Árbol congelado
• 

  Río San Lorenzo congelado
 
• 

  Hielo marino de invierno
 
• 

  Escalada en hielo
 
• 

  Bolsa de almacenamiento de alimentos

Mitologia y cultura

• Niflheim era un reino de hielo primordial y frío con nueve ríos congelados en la mitología nórdica . ^[39]
• El "Infierno en el infierno de Dante" se declara como Cocytus, un lago congelado donde se depositaron Virgil y Dante.