Física e Ingeniería

Es probable que entremos en una etapa de transformación científica y tecnológica del sector del frio y de la climatización, que puede suponer un cambio radical para las empresas, y para los expertos e ingenieros. Confirman este criterio los reiterados informes de la ONU, y de otras instituciones internacionales, que nos pueden hacer pensar en que una profunda transformación tecnológica se puede producir en estas tecnologías.
En esos estudios ha quedado patente que la producción de frio y la climatización son servicios necesarios para preservar las vacunas, las medicinas y también la vida humana, por lo que han pasado a convertirse en elementos de primera necesidad. Y ante la pandemia global, la climatización centralizada, con el adecuado diseño y ventilación, es la mejor herramienta para impedir la propagación del virus.
Se produce una aparente paradoja, pues para luchar contra el cambio climático y contra el contagio del virus, además de vacunas, la humanidad necesita instalaciones de generación de frio artificial, que consumen más energía, y contribuyen más al cambio climático.
Los informes coinciden en estimar que la solución es permitir la generalización del uso de la refrigeración y de la climatización, pero exigir equipos más eficientes y más idóneos con la naturaleza, generando menos contaminantes atmosféricos.
Por ello, en la actual evolución del sector, advertimos nuevos retos que obligan a los ingenieros de diseño a nuevas responsabilidades y objetivos, y a concebir nuevos equipos, incluso con nuevas tecnologías, pero más eficientes y respetuosas con el medio ambiente. La constante revisión de las directrices europeas y de los cambios legislativos de nuestra normativa, obligan a modificar los pliegos de condiciones y las condiciones de diseño de instalaciones, equipos, o refrigerantes, y a exigir nuevos requisitos, lo que obliga al especialista a estar al día para conocer nuevas máquinas, nuevas tecnologías, redefinir estrategias y sus formas de trabajo.
 
Investigación científica
Se estima que este sector sufrirá cambios sustanciales en los próximos años, ante el fuerte incremento y generalización de la demanda de sus servicios. Por un lado, desarrollos simplemente tecnológicos, que permitirán evidentes mejoras en beneficio del usuario. Pero por otro lado, pueden concebirse nuevas tecnologías de generación de frio, basadas en insospechados avances científicos. No ha habido una evolución sustancial de la termodinámica en los últimos doscientos años, pero es posible que nos encontremos en el umbral de un nuevo desarrollo conceptual, por ejemplo, en el ámbito de la termodinámica cuántica. Este campo tiene dos facetas distintas pero complementarias. Por un lado, se pretende obtener una derivación rigurosa de las leyes de la termodinámica a partir de las interacciones microscópicas de las partículas, a un nivel microscópico descrito por las leyes de la física cuántica.
Por otro lado, en una vertiente más aplicada, se busca mejorar procesos termodinámicos, como la conversión de calor en trabajo mecánico, utilizando fenómenos cuánticos sin análogo clásico, como la coherencia o el entrelazamiento. El concepto de información, y su íntima relación con la entropía y la termodinámica, juega un papel muy importante en ambas facetas. (Acín, Antonio; Perarnau-Llobet, Martí y Riera, Arnau: Termodinámica Cuántica. Revista Española de Física • 33-2, Abril-junio 2019, http://revistadefisica.es/index.php/ref/article/view/2492/2063)
Los autores nos recuerdan posibles aplicaciones tecnológicas: Recientemente, se ha conseguido realizar experimentalmente un refrigerador de absorción cuántico con un sistema de 3 iones. (Maslennikov, G. et al.: Quantum absorption refrigerator with trapped ions. Nature Communications 10, 202, 2019, https://arxiv.org/abs/1702.08672).
Incluso se refieren al comportamiento de los flujos de calor: También cabe mencionar el experimento reciente donde se ha demostrado experimentalmente un flujo espontáneo anómalo de calor (del cuerpo frío al cuerpo caliente). Ese flujo anómalo se explica por la existencia de correlaciones entre los baños frío y caliente.
En la termodinámica histórica, el calor fluye espontáneamente de calor a frío. Sin embargo, según Micadei y su equipo, la nueva teoría presupone la ausencia de correlaciones iniciales entre los sistemas que interactúan. Aquí demostramos experimentalmente la inversión del flujo de calor para dos giros cuánticos correlacionados -1/2, inicialmente preparados en estados térmicos locales a diferentes temperaturas efectivas, empleando una configuración de Resonancia Magnética Nuclear. Observamos un flujo de energía espontáneo del frío al sistema caliente. Este proceso se habilita mediante un equilibrio entre correlaciones y entropía que cuantificamos con cantidades teóricas de información. Estos resultados ponen de relieve la sutil interacción de la mecánica cuántica, la termodinámica y la teoría de la información. Además, proporcionan un mecanismo para controlar el calor a microescala. (K. Micadei et al.: Reversing the direction of heat flow using quantum correlations. Nature Communications 10, 2456, 2019. https://arxiv.org/abs/1711.03323).
Por último, Acín propone las siguientes conclusiones: Si bien la termodinámica y la física cuántica son dos disciplinas bien consolidadas, estamos aún lejos de entender cómo se describen los procesos termodinámicos en la escala cuántica. Como se ha explicado, en los últimos años se han llevado a cabo avances importantes en esta dirección, motivados también por el desarrollo de una teoría de la información cuántica y por las tecnologías para la manipulación controlada de estos sistemas. Muchas preguntas, sin embargo, permanecen abiertas, por lo que podemos esperar que el estudio de estas cuestiones siga deparando nuevos resultados relevantes y sorprendentes en los próximos años. (Acín, Antonio; Perarnau-Llobet, Martí y Riera, Arnau: Termodinámica Cuántica. Revista Española de Física, 33-2, Abril-junio 2019, http://revistadefisica.es/index.php/ref/article/view/2492/2063)
Parece evidente que la investigación científica en termodinámica, nos permitirá disponer de nuevos criterios científicos, y deducir nuevas soluciones tecnológicas en la generación y aplicación del frio y del calor, en un mundo sometido a un calentamiento antropogénico y a una pandemia.
 
Investigaciones sobre el calor: El calor a escala nanométrica
Durante años los físicos han descrito el transporte de calor mediante la ley de Fourier. Ahora, los avances en nanotecnología permiten una comprensión más sutil del fenómeno (https://cordis.europa.eu/project/rcn/92616/brief/es). Al reducirse los tamaños de los dispositivos y circuitos electrónicos más novedosos, su gestión térmica es un aspecto importante. La conducción térmica, y el transporte de calor se reducen mediante excitaciones magnéticas en materiales magnéticos cuánticos.
Los científicos de materiales investigan cómo controlar la energía térmica a nivel atómico, con el fin de mejorar la eficiencia de máquinas y dispositivos, y reducir el consumo de energía. Investigadores de la Universidad de Minnesota han desarrollado técnicas para analizar los flujos de energía térmica en los materiales, incluso a escala nanométrica. Los resultados de esta investigación fue publicada en la revista Nature Communications, en 2016 en un artículo titulado: Imágenes de electrones de femtosegundos de dinámica fonónica modulada por defecto, (Daniel R. Cremons, Dayne A. Plemmons Y David J. Flannigan: Femtosecond electron imaging of defect-modulated phonon dynamics. Nature Communications, volumen 7, número de artículo: 11230 (2016) https://www.nature.com/articles/ncomms11230 ).
A distancias nano-métricas se ha comprobado que el fenómeno de trasmisión del calor sufre importantes desviaciones en relación con la referida ley de Fourier. El estudio de la propagación del calor a cortas distancias, según otras investigaciones, ha de tener en cuenta la física de los fonónes.
El concepto de fonón fue introducido en 1932 por el físico ruso Igor Tamm (1895-1971), proponiendo esta denominación a los cuantos de vibración o cuasi-partículas del material que se halla en las redes cristalinas de un sólido. Se supone que existe una relación entre las conductividades térmica y eléctrica de un cuerpo y su nivel de vibración. En los aislantes, se supone que los fonónes constituyen el proceso primario por el cual se genera la conducción de calor. El recorrido libre medio de los fonónes, se supone inversamente proporcional a la temperatura absoluta Por todo ello, se estima que el fomento de esta disciplina puede tener importantes consecuencias en numerosas aplicaciones, desde la microelectrónica, hasta el diseño de materiales nano-estructurados para un mejor aislamiento térmico.
En cualquier caso, la física y la tecnología seguirán evolucionando, en nuestro caso, principalmente en la búsqueda de mejores condiciones ambientales, la reducción del ruido, eficiencia y menores consumos energéticos. La constante investigación permitirá la implantación de innovaciones tecnológicas en beneficio de la sociedad.