Las máquinas no siempre pueden soportar el calor: dos ingenieros explican la física detrás de cómo las olas de calor amenazan todo, desde los automóviles hasta las computadoras

Feb 23, 2024

Publicado por: Norhasnima Dimacaling30 de agosto de 2023

por Srinivas Garimella, Instituto de Tecnología de Georgia y Matthew T. Hughes, Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), [Este artículo apareció por primera vez en The Conversation, republicado con autorización]

No sólo la gente necesita mantenerse fresca, especialmente en un verano con olas de calor sin precedentes. Muchas máquinas, incluidos teléfonos móviles, centros de datos, automóviles y aviones, se vuelven menos eficientes y se degradan más rápidamente en condiciones de calor extremo. Las máquinas también generan su propio calor, lo que puede hacer que las temperaturas a su alrededor sean aún más altas.

Somos investigadores de ingeniería que estudiamos cómo las máquinas gestionan el calor y formas de recuperar y reutilizar eficazmente el calor que de otro modo se desperdiciaría. Hay varias formas en que el calor extremo afecta a las máquinas.

Ninguna máquina es perfectamente eficiente: todas las máquinas enfrentan cierta fricción interna durante su funcionamiento. Esta fricción hace que las máquinas disipen algo de calor, por lo que cuanto más calor haga afuera, más caliente estará la máquina.

Los teléfonos móviles y dispositivos similares con baterías de iones de litio dejan de funcionar también cuando funcionan en climas superiores a 95 grados Farenheit (35 grados Celsius); esto es para evitar el sobrecalentamiento y una mayor tensión en los componentes electrónicos.

Los diseños de refrigeración que utilizan fluidos innovadores de cambio de fase pueden ayudar a mantener las máquinas frías, pero en la mayoría de los casos el calor finalmente se disipa en el aire. Por lo tanto, cuanto más caliente esté el aire, más difícil será mantener una máquina lo suficientemente fría para que funcione de manera eficiente.

Además, cuanto más cerca estén las máquinas, más calor se disipará en el entorno.

Las temperaturas más altas, ya sea por el clima o por el exceso de calor irradiado por la maquinaria, pueden causar que los materiales de la maquinaria se deformen. Para entender esto, consideremos lo que significa la temperatura a nivel molecular.

A escala molecular, la temperatura es una medida de cuántas moléculas vibran. Entonces, cuanto más caliente hace, más vibran las moléculas que lo componen todo, desde el aire hasta el suelo y los materiales de la maquinaria.

Cuando el metal se calienta, las moléculas que contiene vibran más rápido y el espacio entre ellas se separa más. Esto hace que el metal se expanda.

A medida que aumenta la temperatura y las moléculas vibran más, el espacio promedio entre ellas crece, lo que hace que la mayoría de los materiales se expandan a medida que se calientan. Las carreteras son un lugar donde se puede ver esto: el hormigón caliente se expande, se estrecha y eventualmente se agrieta. Este fenómeno también puede ocurrirle a la maquinaria, y las tensiones térmicas son sólo el comienzo del problema.

Las altas temperaturas también pueden cambiar el comportamiento de los aceites del motor de su automóvil, lo que provoca posibles fallas en el motor. Por ejemplo, si una ola de calor hace que la temperatura sea 30 grados F (16,7 grados C) más alta de lo normal, la viscosidad (o espesor) de los aceites de motor típicos de los automóviles puede cambiar en un factor de tres.

Los fluidos como los aceites de motor se vuelven más diluidos a medida que se calientan, por lo que si se calienta demasiado, es posible que el aceite no sea lo suficientemente espeso para lubricar y proteger adecuadamente las piezas del motor contra un mayor desgaste.

Además, un día caluroso hará que el aire dentro de los neumáticos se expanda y aumente la presión de los neumáticos, lo que podría aumentar el desgaste y el riesgo de derrapar.

Los aviones tampoco están diseñados para despegar a temperaturas extremas. A medida que hace más calor afuera, el aire comienza a expandirse y ocupa más espacio que antes, haciéndolo más delgado o menos denso. Esta reducción en la densidad del aire disminuye la cantidad de peso que el avión puede soportar durante el vuelo, lo que puede provocar importantes retrasos en los viajes o cancelaciones de vuelos.

En general, los componentes electrónicos contenidos en dispositivos como teléfonos celulares, computadoras personales y centros de datos están compuestos de muchos tipos de materiales que responden de manera diferente a los cambios de temperatura. Todos estos materiales están ubicados uno al lado del otro en espacios reducidos. Entonces, a medida que aumenta la temperatura, diferentes tipos de materiales se deforman de manera diferente, lo que puede provocar desgaste prematuro y fallas.

Las baterías de iones de litio de los automóviles y la electrónica en general se degradan más rápidamente a temperaturas de funcionamiento más altas. Esto se debe a que las temperaturas más altas aumentan la velocidad de las reacciones dentro de la batería, incluidas las reacciones de corrosión que agotan el litio de la batería. Este proceso desgasta su capacidad de almacenamiento. Investigaciones recientes muestran que los vehículos eléctricos pueden perder alrededor del 20% de su autonomía cuando se exponen a una temperatura sostenida de 90 grados Farenheit.

Los centros de datos, que son edificios llenos de servidores que almacenan datos, disipan cantidades importantes de calor para mantener frescos sus componentes. En días muy calurosos, los ventiladores deben trabajar más para garantizar que los chips no se sobrecalienten. En algunos casos, los ventiladores potentes no son suficientes para enfriar la electrónica.

Para mantener los centros frescos, el aire seco entrante desde el exterior suele enviarse primero a través de una almohadilla húmeda. El agua de la almohadilla se evapora en el aire y absorbe calor, lo que enfría el aire. Esta técnica, llamada enfriamiento por evaporación, suele ser una forma económica y eficaz de mantener los chips a una temperatura de funcionamiento razonable.

Sin embargo, el enfriamiento por evaporación puede requerir una cantidad significativa de agua. Esta cuestión es problemática en regiones donde el agua es escasa. El agua para refrigeración puede aumentar la ya intensa huella de recursos asociada con los centros de datos.

Los aires acondicionados luchan por funcionar de manera efectiva a medida que hace más calor afuera, justo cuando más se necesitan. En los días calurosos, los compresores del aire acondicionado tienen que trabajar más para enviar el calor de las casas al exterior, lo que a su vez aumenta desproporcionadamente el consumo de electricidad y la demanda general de electricidad.

Por ejemplo, en Texas, cada aumento de 1,8 grados F (1 grado C) genera un aumento de aproximadamente el 4% en la demanda de electricidad.

El calor provoca un asombroso aumento del 50% en la demanda de electricidad durante el verano en los países más cálidos, lo que plantea serias amenazas de escasez de electricidad o apagones, junto con mayores emisiones de gases de efecto invernadero.

Las olas de calor y el aumento de las temperaturas en todo el mundo plantean importantes problemas a corto y largo plazo tanto para las personas como para las máquinas. Afortunadamente, hay cosas que puedes hacer para minimizar el daño.

En primer lugar, asegúrese de que sus máquinas se mantengan en un espacio bien aislado y con aire acondicionado o fuera de la luz solar directa.

En segundo lugar, considere usar dispositivos de alta energía como aires acondicionados o cargar su vehículo eléctrico durante las horas de menor actividad, cuando menos personas usan electricidad. Esto puede ayudar a evitar cortes de electricidad locales.

Los científicos e ingenieros están desarrollando formas de utilizar y reciclar las grandes cantidades de calor disipadas por las máquinas. Un ejemplo sencillo es utilizar el calor residual de los centros de datos para calentar agua.

El calor residual también podría impulsar otros tipos de sistemas de aire acondicionado, como los enfriadores de absorción, que en realidad pueden utilizar el calor como energía para soportar los enfriadores a través de una serie de procesos químicos y de transferencia de calor.

En cualquier caso, la energía necesaria para calentar o enfriar algo proviene del calor que de otro modo se desperdiciaría. De hecho, el calor residual de las centrales eléctricas podría hipotéticamente cubrir el 27% de las necesidades de aire acondicionado residencial, lo que reduciría el consumo general de energía y las emisiones de carbono.

El calor extremo puede afectar todos los aspectos de la vida moderna y las olas de calor no desaparecerán en los próximos años. Sin embargo, existen oportunidades para aprovechar el calor extremo y hacer que funcione para nosotros.

Srinivas Garimella, profesor de Ingeniería Mecánica, Instituto de Tecnología de Georgia y Matthew T. Hughes, asociado postdoctoral, Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT)

Este artículo se vuelve a publicar desde The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.