Anillos de Liesegang ( / l i z ə ɡ ɑ N / ) son un fenómeno visto en muchos, si no la mayoría, los sistemas químicos sometidos a una reacción de precipitaciónen determinadas condiciones de concentración y en ausencia de convección . Los anillos se forman cuando las sales débilmente solubles se producen a partir de la reacción de dos sustancias solubles, una de las cuales se disuelve en un medio de gel [1] . El fenómeno se ve con mayor frecuencia como anillos en una placa de Petri o bandas en un tubo de ensayo; sin embargo, se han observado patrones más complejos, como dislocaciones de la estructura del anillo en una placa de Petri, hélices y " anillos de Saturno " en un tubo de ensayo [1] [2] . A pesar de la investigación continua desde el redescubrimiento de los anillos en 1896, el mecanismo para la formación de los anillos de Liesegang aún no está claro.
Historia [ editar ]
El fenómeno fue observado por primera vez en 1855 por el químico alemán Friedlieb Ferdinand Runge . Los observó en el curso de experimentos sobre la precipitación de reactivos en papel secante . [3] [4] En 1896, el químico alemán Raphael E. Liesegang notó el fenómeno cuando dejó caer una solución de nitrato de plata sobre una capa delgada de gel que contenía dicromato de potasio . Después de unas pocas horas, se formaron anillos concéntricos afilados de dicromato de plata insoluble. Ha despertado la curiosidad de los químicos durante muchos años. Cuando se forman en un tubo de ensayo al difundir un componente desde la parte superior, se forman capas o bandas de precipitado, en lugar de anillos.
Reacción dicromato de nitrato de plata de potasio [ editar ]
Las reacciones se llevan a cabo generalmente en tubos de ensayo en los que se forma un gel que contiene una solución diluida de uno de los reactivos.
Si se vierte una solución caliente de gel de agar que también contiene una solución diluida de dicromato de potasio en un tubo de ensayo, y después de que el gel se solidifica, se vierte una solución más concentrada de nitrato de plata sobre el gel, el nitrato de plata comenzará a difundirse hacia el gel Luego se encontrará con el dicromato de potasio y formará una región continua de precipitado en la parte superior del tubo.
Después de algunas horas, la región continua de precipitación es seguida por una región clara sin precipitado sensible, seguida por una región corta de precipitado más abajo del tubo. Este proceso continúa a lo largo del tubo formando varias regiones alternas de gel transparente y anillos precipitados, hasta quizás un par de docenas.
Algunas observaciones generales [ editar ]
A lo largo de las décadas, se ha utilizado una gran cantidad de reacciones de precipitación para estudiar el fenómeno, y parece bastante general. Losinvestigadores prefieren los cromatos , hidróxidos metálicos , carbonatos y sulfuros formados con plomo, cobre, plata, mercurio y sales de cobalto, quizás debido a los bonitos precipitados coloreados que se forman [5] [6] .
Los rangos de concentración sobre los cuales se forman los anillos en un gel dado para un sistema de precipitación generalmente se pueden encontrar para cualquier sistema mediante una pequeña experimentación empírica sistemática en unas pocas horas. A menudo, la concentración del componente en el gel de agar debe estar sustancialmente menos concentrada (quizás un orden de magnitud o más) que la que se coloca sobre el gel.
La primera característica que se suele observar es que las bandas que se forman más alejadas de la interfaz líquido-gel están generalmente más alejadas. Algunos investigadores miden esta distancia e informan en algunos sistemas, al menos, una fórmula sistemática para la distancia a la que se forman. La observación más frecuente es que la distancia que forman los anillos es proporcional a la distancia de la interfaz líquido-gel. Sin embargo, esto no es de ninguna manera universal y, a veces, se forman a distancias esencialmente aleatorias e irreproducibles.
Otra característica que se observa a menudo es que las bandas en sí no se mueven con el tiempo, sino que se forman en su lugar y permanecen allí.
Para muchos sistemas, el precipitado que se forma no es el coagulante fino o los flóculos que se observan al mezclar las dos soluciones en ausencia del gel, sino dispersiones cristalinas más bien gruesas. A veces los cristales están bien separados unos de otros, y solo unos pocos se forman en cada banda.
El precipitado que forma una banda no siempre es un compuesto insoluble binario, sino que puede ser incluso un metal puro. Un vaso de agua de densidad 1.06 hizo ácido con suficiente ácido acético para que se gelifique, con 0.05 N de sulfato de cobre , cubierto por una solución al 1 por ciento de clorhidrato de hidroxilamina produce grandes tetraedros de cobre metálico en las bandas.
No es posible hacer una declaración general del efecto de la composición del gel. Un sistema que se forma bien para un conjunto de componentes, podría fallar por completo y requerir un conjunto diferente de condiciones si se cambia el gel, por ejemplo, de agar a gelatina. La característica esencial del gel requerido es que se evite por completo la convección térmica en el tubo.
La mayoría de los sistemas formarán anillos en ausencia del sistema de gelificación si el experimento se lleva a cabo en un capilar, donde la convección no altera su formación. De hecho, el sistema ni siquiera tiene que ser líquido. Un tubo tapado con algodón con un poco de hidróxido de amonio en un extremo, y una solución de ácido clorhídrico en el otro mostrará anillos de cloruro de amonio depositado donde los dos gases se encuentran, si las condiciones se eligen correctamente. La formación de anillos también se ha observado en vidrios sólidos que contienen una especie reducible. Por ejemplo, se han generado bandas de plata sumergiendo el vidrio de silicato en AgNO 3 fundido durante largos períodos de tiempo (Pask y Parmelee, 1943).
Teorias [ editar ]
.jpg)
Se han propuesto varias teorías diferentes para explicar la formación de los anillos de Liesegang. El químico Wilhelm Ostwald en 1897 propuso una teoría basada en la idea de que un precipitado no se forma inmediatamente con la concentración de iones que excede un producto de solubilidad, sino una región de sobresaturación.ocurre primero Cuando se alcanza el límite de estabilidad de la sobresaturación, se forma el precipitado y se forma una región clara delante del frente de difusión porque el precipitado que está por debajo del límite de solubilidad se difunde en el precipitado. Se argumentó que esto era una teoría críticamente defectuosa cuando se demostró que sembrar el gel con una dispersión coloidal del precipitado (lo que posiblemente evitaría cualquier región significativa de sobresaturación) no impidió la formación de los anillos [7].
Otra teoría se centra en la adsorción de uno u otro de los iones precipitantes sobre las partículas coloidales del precipitado que se forma. Si las partículas son pequeñas, la absorción es grande, la difusión se "dificulta" y esto de alguna manera resulta en la formación de los anillos.
Otra propuesta más, la " teoría de la coagulación " afirma que el precipitado se forma primero como una fina dispersión coloidal, que luego sufre la coagulación por un exceso del electrolito difusor y esto de alguna manera resulta en la formación de los anillos.
Algunas teorías más recientes invocan un paso autocatalítico en la reacción que resulta en la formación del precipitado. Esto parecería contradecir la idea de que las reacciones autocatalíticas son, en realidad, bastante raras en la naturaleza.
La solución de la ecuación de difusión con condiciones de contorno adecuadas y un conjunto de buenas suposiciones sobre la sobresaturación, la adsorción, la autocatálisis y la coagulación solas, o en alguna combinación, aún no se han hecho, parece, al menos de una manera que hace posible una comparación cuantitativa con el experimento.
Recientemente se ha propuesto una teoría general basada en la teoría de Ostwald de 1897 [1] . Puede explicar varias características importantes que se ven a veces, como la reversión y las bandas helicoidales.
El radiador de gotas de líquido (LDR) o el radiador de flujo de gotas de líquido anteriormente denominado es un radiador de peso ligero propuesto para la disipación del calor residual generado por las centrales eléctricas, sistemas de propulsión o naves espaciales en el espacio.
Fondo [ editar ]
Una misión espacial avanzada o futura debe tener una fuente de energía o propulsión que requiera el rechazo del calor residual. Se debe considerar la eliminación de grandes cantidades de calor residual para realizar una estructura de gran espacio (LSS) que maneje alta potencia, como un reactor nuclear o un satélite espacial de energía solar (SPS) .
| misión [1] | nivel de potencia | duración |
|---|---|---|
| Futura estación espacial | 75–300 kW | 30 años |
| Láseres basados en el espacio. | 1–10 MW | 10 años |
| Haz de partículas | 1 MW | 10 años |
| Radar espacial | 30–100 kW | 10 años |
| Base lunar | 100–300 kW | 30 años |
| misión a marte | 15 MWe | 7 años |
| misión a Júpiter [2] | 63 GW | Tránsito de 285 d |
| nave de vela [N 1] interestelar [3] 5 × 10 6 kg | 0.6 MW | 1433 años para Alpha Centauri |
| cohete de antimateria [N 1] interestelar [4] 80.7 × 10 9 kg | 122,650 TW | 128.5 años a 40 LY |
Tales sistemas espaciales requieren sistemas avanzados de control térmico de alta temperatura . Las tuberías de calor de metal líquido con radiadores convencionales se consideran ideales para tales aplicaciones. [5] Sin embargo, el área de superficie requerida del radiador es enorme, por lo tanto, la masa del sistema es muy grande. El radiador de gotas de líquido (LDR) tiene una ventaja en términos de la relación de potencia calorífica rechazada. Los resultados de los estudios indican que para temperaturas de rechazo por debajo de aproximadamente 700 K, el sistema LDR es significativamente más liviano que los otros conceptos avanzados de radiadores. Un LDR puede ser siete veces más liviano que los radiadores convencionales de tubos de calor de tamaño similar. [6] El LDR es más resistente a los impactos de meteoritos debido a una superficie o viento menos críticos, y requiere menos volumen de almacenamiento. Por lo tanto, el LDR ha llamado la atención como un radiador avanzado para sistemas espaciales de alta potencia.
En 1978, John M. Hedgepeth propuso, en "Estructuras de peso ultraligero para poder espacial", en Conversión de energía de radiación en espacio, vol. 61 de Progreso en Astronáutica y Aeronáutica, KW Billman, ed. (AIAA, Nueva York, 1978), p. 126, el uso de un radiador de polvo para reducir el peso del radiador de los satélites de energía solar. Los problemas prácticos de este sistema de polvo llevaron al concepto de LDR en 1979. [1]Empresas, organizaciones y universidades de todo el mundo han realizado numerosos estudios.
Se llevaron a cabo experimentos prácticos, por ejemplo, con STS-77 [5] y en pozos de caída en Japón: Centro de microgravedad de Japón (JAMIC) y Laboratorio de microgravedad de Japón . [7]
Concepto [ editar ]
.svg)
El sistema de radiador de gotas de líquido (LDR) consta de un generador de gotas, un colector, un intercambiador de calor , una bomba de recirculación y un regulador de presión ( acumulador ) de tipo fuelle . Mientras experimenta una reducción en la presión, el líquido saturado se rocía en el espacio como corrientes coherentes de pequeñas gotas discretas. El flujo de gotas puede ser una columna o una hoja de gotas de líquido que se mueven a través del espacio desde el generador de gotas hasta el colector. Las gotitas transportan el calor residual generado por un sistema de energía espacial e irradian este calor residual directamente al espacio durante su vuelo mediante transferencia de calor radiante transitoria. Las gotas de líquido se recogen a una temperatura más baja, se recalientan y se bombean al generador de gotas y se reutilizan para continuar eliminando el calor residual del ciclo de poder termodinámico.
La presión a la que se forman las gotas de líquido puede variar ampliamente en diferentes aplicaciones, pero se encontró que una vez que se ha establecido el flujo de gotas, se necesitan presiones sustancialmente más bajas para mantener el flujo de las corrientes de gotas. [8]
Transferencia de calor [ editar ]
El calor residual de la nave espacial es finalmente rechazado al espacio por las superficies del radiador. Los radiadores pueden ser de diferentes formas, como los paneles estructurales de la nave espacial, los radiadores de placa plana montados en el lateral de la nave espacial, los paneles desplegados después de que la nave espacial esté en órbita y las gotas. Todos los radiadores rechazan el calor por radiación infrarroja (IR) de sus superficies. La potencia de radiación depende de la emisión y temperatura de la superficie. El radiador debe rechazar tanto el calor residual de la nave espacial como las cargas de calor radiante del entorno u otras superficies de la nave espacial. [9] Por lo tanto, a la mayoría de los radiadores se les dan acabados superficiales con alta emisión de IR ( ε > 0.8) para maximizar el rechazo del calor y la baja absorción solar ( α<0 .2="" calor="" cargas="" de="" del="" font="" las="" limitar="" nbsp="" para="" sol.="">Se prefieren los radiadores de alta temperatura para una mejor eficiencia y consideraciones de reducción de tamaño, sin embargo, la propiedad del fluido y la propiedad de la nube de gota son factores adicionales. La formación del tamaño de gota y la densidad de la gota gobiernan la emisión y la reabsorción . Una gota más pequeña es esencial para obtener una radiación efectiva en el radiador de gotas de líquido. Se ha calculado que una gota con un diámetro de 1 μm se enfríe de 500 K a 252 K en dos segundos. Una densa nube de la lámina de gotitas retardará la velocidad de enfriamiento de las gotitas debido a la reabsorción de la luz emitida. [10]
Una sola gota irradia calor mientras viaja a través del espacio y en cualquier momento esta pérdida de calor viene dada por: [6]
dónde es la constante de Stefan-Boltzmann , es la tasa de pérdida de calor de la gota al espacio (julios / segundo), es el radio de la gota (metros), es el factor de vista de cuerpo gris promedio para la gota en el centro de la corriente (menos de uno), y es la temperatura absoluta de la gota en cualquier momento ( kelvin ).
Esta ecuación modela la gota como un cuerpo gris con emisividad promedio constante. La tasa de radiación instantánea es igual a la tasa de pérdida de energía que resulta en esta ecuación: [6]
dónde es la capacidad calorífica específica , es la densidad de la gota (kg / m 3 ), es el tiempo de tránsito de la gotita (segundos).
Limitaciones, retos y soluciones [ editar ]
El entorno operativo no es simplemente el espacio negro, sino uno con radiación solar y radiación difusa reflejada y emitida por el sol (estrellas), la tierra, otros objetos o la propulsión de antimateria propia de la nave. Es posible "orientar" el borde de la lámina de la gota hacia una fuente de calor externa, pero el área de la lámina todavía estaría sujeta a la radiación de otras fuentes. La mayoría de las soluciones presentadas de la ecuación de transferencia radiativa son simplificaciones prácticas al introducir supuestos.
Para lograr una alta eficiencia de recolección, se debe minimizar la salpicadura de la gota en la superficie del colector. Se determinó que el colector de gotitas con un ángulo de incidencia de 35 grados puede evitar que una corriente de gotitas uniforme con un diámetro de gotitas de 250 µm y una velocidad de 16 m / s salpique en condiciones de microgravedad . [7] Otra solución es tener una película líquida formada en la superficie interna del colector. Cuando las corrientes de gotas se absorben en esta película líquida, no deben formarse salpicaduras. Se requirió que una tasa de captura errónea de gotas entrantes fuera menor que 10 −6 . Se determinó que el diámetro de la gota era inferior a 300 µm y la velocidad de la gota inferior a 20 m / s. [11] Si es un ferrofluidose utiliza un medio de enfoque magnético puede suprimir efectivamente salpicaduras. [8]
Como la hoja de gotitas está en caída libre, una nave espacial que realiza una maniobra o una aceleración angular perdería refrigerante. Incluso un LDR enfocado magnéticamente tiene una tolerancia muy limitada de menos de 10 −3 g.
Un generador de gotitas tiene aproximadamente 10 5 - 10 6 orificios (orificios) por sistema con diámetros de 50–20 µm. [12] Estos orificios son más susceptibles de dañarse que un radiador convencional o una tubería de calor que pueden afectar la formación de gotas y la dirección del flujo de gotas, lo que podría causar la pérdida de fluido.
Líquidos [ editar ]
Se prefieren los líquidos con bajas presiones de vapor para los fluidos de trabajo para minimizar la pérdida de evaporación debido a la evaporación instantánea . [13] Se ha encontrado que los líquidos en el rango de 300 a 900 K tienen una presión de vapor tan baja que la pérdida por evaporación durante la vida útil normal de un sistema espacial (posiblemente hasta 30 años) será solo una pequeña fracción del Masa total del radiador. [14] La vida útil del fluido en el entorno LDR se ve afectada por la estabilidad térmica , la estabilidad oxidativa y la resistencia a la radiación . [15]
| rango de temperatura ( K ) | tipo de refrigerante | ejemplo |
|---|---|---|
| 250 K - 350 K | aceites de silicona siloxane | Trimetil-pentafenil-trisiloxano |
| 370 K - 650 K | eutectica de metal liquido | |
| 500 K - 1000 K | estaño líquido |
Si se utiliza un líquido metálico como refrigerante, el bombeo del líquido puede usar un dispositivo electromagnético. El dispositivo induce corrientes de Foucault en el metal que generan una fuerza de Lorentz con sus campos magnéticos asociados. El efecto es el bombeo del metal líquido que resulta en un diseño simplificado sin partes móviles. Esto se conoce como bombeo MHD . [16] Por ejemplo, se encontró que una mezcla simple de aceite mineral y limaduras de hierro se aproximaba a un ferrofluido adecuado durante varios segundos, antes de que se observara la separación de las limaduras de hierro y aceite en presencia de un campo magnético. En tamaños de gota de aproximadamente 200 µm , la tensión superficial mantendrá los dos componentes en aceleraciones de hasta aproximadamente 1 g. [8]
Si se usa un fluido iónico como refrigerante, el fluido se puede usar para la transferencia de momento entre naves espaciales que viajan a diferentes velocidades. Puede ser posible sintetizar el fluido in situ. Por ejemplo, BMIM-BF4 ([C 8 H 15 N 2 ] + BF 4 - ) es un 42,5% de carbono en masa. El regolito lunar típicamente contiene varios compuestos con carbono y aproximadamente el 5% de los asteroides son condritas carbonosas que son ricas en carbono, metales y agua. Puede ser posible extraer la luna en busca de carbono y combinarlo con otros elementos para producir un fluido iónico. Otra buena fuente de carbono es Marte.'la luna más grande, Fobos , que es un asteroide capturado que se cree es rico en carbono. [17]
Configuraciones de diseño LDR [ editar ]
Hay dos esquemas diferentes de recolección de gotas: el enfoque centrífugo y el esquema de recolección lineal. El colector lineal se considera más sencillo, más fiable y más ligero. [1]
- La espiral LDR emplea un generador y colector que giran a la misma velocidad angular. Este concepto fue considerado más complejo debido a la rotación innecesaria del colector. [18]
- El disco adjunto LDR contiene un generador de gotas en el centro para crear un disco de gotas. Sólo el colector gira. Todo el radiador está rodeado por una cubierta transparente, que minimiza la contaminación de la nave espacial como resultado de cualquier gota errante. Este concepto fue considerado más complejo debido a la rotación innecesaria del colector. [18]
- El LDR anular utiliza un colector giratorio para capturar una hoja anular de gotas de un generador anular. El LDR anular tiene un rendimiento radiativo ineficiente: la hoja se irradia a sí misma más que las hojas de gotitas de configuraciones alternativas. [18]
- Varias variaciones propuestas del LDR utilizan campos eléctricos para controlar las trayectorias de las gotitas como en la impresora de chorro de tinta . El radiador (energía) termal electrostático (ETHER) es esencialmente una variación propuesta del LDR. Las gotas se cargan y junto con una carga en la nave espacial que está opuesta a la carga de la gota, las gotas ejecutarán una órbita ligeramente elíptica. Esta trayectoria cerrada reduciría el tamaño total del sistema. Este concepto requiere preocupaciones sobre las interacciones gota-plasma. Además, en órbita terrestre baja, la nave adquirirá su propio potencial . [18]
Las versiones rectangulares y triangulares del LDR han sido las más investigadas.
- El LDR rectangular emplea un colector lineal que es tan ancho como el generador de gotas. El colector puede ser de dos caras, donde dos hojas de gotitas que se desplazan en direcciones opuestas impactan en un solo colector. Una variación alternativa utilizaría un colector de un solo lado, con un solo generador y una hoja de gotitas. En un LDR rectangular, no hay enfoque de la hoja de gotitas, y la densidad del número de gotitas permanece constante a lo largo de la trayectoria de vuelo. Es el diseño LDR más simple con la mayor área de radiación. [18]
- El concepto triangular LDR emplea un generador de gotas para formar una matriz de flujo convergente (hoja) de gotas. El colector, ubicado en el punto de convergencia de la lámina de gotitas, emplea una fuerza centrífuga para capturar las gotitas. El LDR triangular es intrínsecamente menos masivo, debido al colector más pequeño. Los estudios del sistema han indicado que un LDR triangular puede ser un 40 por ciento menos masivo que un LDR rectangular. Sin embargo, para cualquier tamaño comparable, el LDR triangular tiene la mitad del área de una hoja rectangular y, por lo tanto, rechaza menos calor. Actualmente, el uso de las pastillas de tubo pitot ha reemplazado a los sellos giratorios complejos iniciales. Las colisiones en una hoja de gotas enfocadas dan como resultado la coalescencia de las gotas impactantes. El LDR triangular ahora se está desarrollando más ampliamente. [1] [18]
- El LDR enfocado magnéticamente emplea un campo magnético para enfocar las corrientes de gotitas dirigidas desde el generador hacia el colector, asegurando así que esencialmente todas las gotitas capturadas, aunque algunas de las corrientes pueden ser mal dirigidas cuando salen del generador. El medio de enfoque magnético también es eficaz para suprimir las salpicaduras de líquido cuando las gotitas chocan con el colector. El LDR enfocado magnéticamente fue investigado y patentado por el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) con una subvención del Departamento de Energía (Contrato DE-AC02-76CH00016). Los medios magnéticos se pueden lograr con un electroimán de forma toroidal.o imanes permanentes. Como solo un lado de la hoja de gotas se enfoca con un solo imán permanente, debe colocarse un número par uno al lado del otro, adyacentes al colector. Un imán dipolo permanente tiene una intensidad de campo limitada, por lo tanto limita el tamaño del radiador. Los electroimanes o los imanes superconductores (enfriados criogénicos) ofrecen mayores intensidades de campo, pero pueden tener un intercambio masivo. Una conclusión importante extraída de los cálculos es que una nave espacial puede maniobrarse con aceleraciones menores de 10 −3 g. Las aceleraciones más altas requieren numerosos LDR más pequeños que serán más masivos en la suma, pero serían más propensos a sobrevivir.
No hay comentarios:
Publicar un comentario