Un sólido puede servir como medio para las interacciones de ondas de calor y sonido al igual que un fluido para motores termoacústicos y refrigeradores, lo que da como resultado máquinas sin fugas que pueden permanecer funcionando por más tiempo.
Los sistemas con fugas han limitado la forma en que los ingenieros diseñan dispositivos termoacústicos que dependen de la interacción entre las oscilaciones de temperatura y las ondas de sonido. Los investigadores de Purdue y la Universidad de Notre Dame han demostrado por primera vez que la termoacústica podría ocurrir teóricamente tanto en sólidos como en fluidos,recientemente presentando sus hallazgos en la 175ª Reunión de la Sociedad Acústica de América.
"Aunque todavía está en su infancia, esta tecnología podría ser particularmente efectiva en entornos hostiles, como el espacio exterior, donde las variaciones de temperatura fuertes están disponibles libremente y cuando las fallas del sistema pondrían en peligro la misión general", dijo Fabio Semperlotti, profesor asistente de PurdueIngeniería mecánica.
La termoacústica ha sido un fenómeno establecido y bien estudiado en fluidos, ya sea como gas o líquido, durante siglos ". La aplicación de calor a un fluido encerrado en un conducto o cavidad provocará la generación espontánea de ondas de sonido que se propagan en elfluido ", dijo Carlo Scalo, profesor asistente de ingeniería mecánica en Purdue." Esto da como resultado las llamadas tuberías de canto, o máquinas termoacústicas ".
Si bien los fluidos se han usado históricamente para estos sistemas, el paso adicional de construir algo para contener los fluidos y evitar fugas es engorroso. Esto llevó a los investigadores a considerar los sólidos como un reemplazo.
"Las propiedades de los sólidos son más controlables, lo que podría hacer que sean potencialmente más adecuadas para estas aplicaciones que los fluidos. Necesitamos verificar primero que este fenómeno podría existir teóricamente en medios sólidos", dijo Haitian Hao, asistente de investigación graduada de Purdue en ingeniería mecánica.
La termoacústica permite que el calor residual o las vibraciones mecánicas se conviertan en otras formas útiles de energía. Para los refrigeradores, las ondas de sonido generan un gradiente de temperatura de calor y frío. El movimiento vibratorio hace que las zonas frías sean más frías y las zonas calientes más calientes.
Los motores utilizan un proceso opuesto: un gradiente de temperatura proporcionado por el calor residual conduce a vibraciones mecánicas.
La termoacústica en estado sólido inicialmente parecía poco probable, ya que los sólidos son algo más "estables" que los fluidos y tienden a disipar la energía mecánica más fácilmente, lo que dificulta que el calor genere ondas de sonido.
Los investigadores desarrollaron un modelo teórico que demuestra que una varilla metálica delgada puede exhibir vibraciones mecánicas autosuficientes si se aplica periódicamente un gradiente de temperatura a los segmentos de la varilla. Esta disipación de energía mecánica no deseada equilibrada y mostró que, como los fluidos, los sólidos se contraen cuandose enfrían y se expanden cuando se calientan. Si el sólido se contrae menos cuando se enfría y se expande más cuando se calienta, el movimiento resultante aumentará con el tiempo.
Los sólidos también se pueden diseñar para lograr las propiedades necesarias para lograr un alto rendimiento termoacústico. "Los fluidos no nos permiten hacer esto", dijo Semperlotti.
Las diferencias extremas de temperatura en el espacio serían perfectas para generar vibraciones mecánicas que luego se convierten en energía eléctrica en las naves espaciales.
"Un dispositivo de estado sólido usaría el sol como fuente de calor y la radiación hacia el espacio profundo como fuente de frío", dijo Semperlotti. "Estos sistemas podrían funcionar indefinidamente, dado que no tienen ninguna parte en movimiento o fluido que puedafiltrarse."
Los investigadores aún necesitan completar una configuración experimental para validar esta idea de diseño y comprender mejor la termoacústica de los sólidos como se descubre a través de cálculos matemáticos y modelos.
"Las posibles aplicaciones y el rendimiento de estos dispositivos todavía están en el campo de la especulación pura en este punto", dijo Semperlotti. "Pero el fenómeno existe y tiene el potencial de abrir algunas direcciones notables para el diseño de dispositivos termoacústicos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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