MAQUINAS TERMOACUSTICAS
Primeras investigaciones.
La interaccion del calor y del sonido ha interesado a los
cientificos desde 1816, cuando Laplace corrigio el calculo realizado por Newton
de la velocidad del sonido en el aire. Newton habia asumido que las expanciones
y las compresiones de una onda acustica en un gas se suceden sin afectar la
temperatura. Laplace considero las pequenas variaciones de temperatura que de
hecho ocurren, y calculo nuevamente la velocidad del sonido en el aire, un
valor que es un 18 por ciento mas rapido que la estimacion de Newton.
Tales efectos termicos tambien explican porque los
sopladores de vidrio del siglo pasado oyeron a veces que sus recipientes
emitian sonidos de tonos puros ,cuando estos estaban calientes.
Despues de un siglo los cientificos pensaron en el efecto opuesto. Si una diferencia
de temperatura podria crear sonidos,podria el sonido producir una diferencia de
temperatura , caliente en una cara y fria en la otra.
Supongamos que una onda acustica excita un gas que estaba
inicialmente a cierta temperatura y presion. En algun punto, la temperatura
aumentara como la presion, asumiendo que esto sucede bastante rapidamente como
para que el calor no tenga tiempo para fluir lejos. El cambio en la temperatura
que acompana a las compresiones acusticas depende de la magnitud de las
fluctuaciones de la presion. Para sonidos comunes, los cambios relativos de la
presion estan en el orden de solamente una parte por millon (equivalente a 74
decibelios), y la variacion de temperatura asociada es una diez milesima de un
grado centigrado. Incluso para los sonidos en el umbral auditivo del dolor
(120dB), la temperatura oscila en 0.02 grado.
La mayoria de los refrigeradores y de los acondicionadores
de aire deben bombear calor en rangos de diferencias de temperaturas
considerablemente mayores, generalmente en 20 grados o mas. Los cambios de
temperatura que las ondas acusticas producen son demasiado pequenos para ser
utiles. Para manejar diferencias mas grandes de temperatura, el gas se debe
poner en contacto con un material solido. Los solidos tienen capacidades de
calor mucho mas altas por unidad volumen que los gases, asi que pueden
intercambiar una cantidad considerable de calor sin cambiar de temperatura en
forma apreciable. Si en un gas hay una onda acustica cerca de una superficie
solida, el solido tendera a absorber el calor de la compresion, manteniendo la temperatura
estable. Lo opuesto es tambien verdadero: del solido saldra el calor cuando el
gas se expande, evitando que se enfrie.
La distancia en que la difusion del calor hacia o desde un
solido ocurre se llama profundidad
termica de penetracion.Su valor depende de la frecuencia de la onda
acustica que pasa y de las caracteristicas del gas. En los
dispositivos termoacousticos tipicos, y para ondas acusticas en aire en las
frecuencias audio, la profundidad termica de penetracion es del orden de un
decimo de un milimetro. Para optimizar el intercambio del calor, el diseno de
una maquina termoacoustica o un
refrigerador debe incluir un solido con huecos con una dimension doble del
ancho, a traves de la cual una onda acustica de gran amplitud se pueda propagar.
Al solido poroso se lo llama
"pila," porque contiene muchas capas y se asemeja asi a una pila de
placas.
Cuando un parlante produce un un sonido en un gas traves de
la pila, la presion y la
temperatura varian de posicion oscilando en el tiempo. Si hay un gas
dentro de un tubo, el sonido va hacia adelante y hacia atras creando una onda
acustica que se mantiene en una posicion,es decir una onda estacionaria.
Cuando el medio de propagacion esta limitado (la columna de aire dentro
de un tubo), la onda, cuando llega a este limite, se refleja. Esta reflexion se
combina con la perturbacion inicial dando lugar a lo que se llama onda
estacionaria. Estas ondas estan caracterizadas por la aparicion de puntos en
reposo (nodos) y puntos con amplitud vibratoria maxima (vientre).
En ese caso, la presion estarara en fase con el desplazamiento ,es
decir, la presion llega a su valor maximo o minimo cuando el gas esta en un
extremo de su movimiento oscilatorio.
Considere como esta simple relacion se puede pensar para ser
usado en un refrigerador termoacoustico, que en su forma mas rudimentaria
es un tubo cerrado, a una pila
porosa y una fuente de energia acustica. Cuando una parcela del gas se mueve hacia
una cara, digamos para la izquierda, este se calienta mientras la presion
aumenta y despues se detiene momentaneamente antes de cambiar para la direccion
contraria. Cerca del final de su movimiento, el gas caliente deposita calor en
la pila, que esta algo mas frio. Durante la mitad del siguiente ciclo, la
parcela del gas se mueve hacia la derecha y se expande. Cuando alcanza el
extremo derecho, estara mas frio que la porcion adyacente de la pila y extraera
calor de el. El resultado es que la parcela bombea calor de la derecha a la
izquierda y puede hacer incluso cuando el lado izquierdo de la pila este mas
caliente que la derecha.
El rango de movimiento para una parcela individual es
pequeno, pero el efecto neto es como el de una brigada de personas que
desplazan agua con baldes de una mano a la otra. Cada parcela del gas oscilante
toma calor de la parcela adyacente y la traslada al siguiente. El calor, mas el
trabajo realizado termoacousticamente, sale de un extremo de la pila a traves
de un intercambiador de calor (similar a un radiador de un coche). Un
intercambiador de calor, situado en el otro extremo de la pila, proporciona el
frio util.
Dispositivos.
El dispositivo termoacoustico consiste, esencialmente, en un
tubo lleno de gas que contiene una "pila" , un solido poroso
con muchos canales abiertos a traves de los cuales el gas pueda pasar. Las
ondas acusticas de resonancia (creadas, por ejemplo, por un altavoz) fuerzan a
el gas a moverse hacia adelante y hacia atras por las aperturas en la pila. Si
el gradiente de temperatura a lo largo de la pila es moderado,el gas desplazado
de un lado al otro (a) sera comprimido y calentado de modo que una
parcela del gas con las dimensiones que son aproximadamente igual a la
penetracion termica (dk) entrega calor a la pila. Cuando este mismo gas
cambia direccion (b), se expande y se enfria lo suficiente para absorber
calor. Aunque una parcela individual desplaza calor a una distancia pequena,
muchas parcelas hacen el trabajo de una brigada de personas que desplazan baldes
de agua ,que transfiere calor de una region fria a una caliente y proporcionan
asi refrigeracion.
El mismo dispositivo se puede transformar en un motor
termoacoustico , si el gradiente de temperatura a lo largo de la pila es
grande. En este caso,el sonido generado puede tambien comprimir y calentar una
parcela de gas (c), pero el sigue siendo mas frio que la pila y absorbe
asi calor. Cuando este gas se desplaza hacia la otra cara y se expande(d),
se enfria pero permanece mas caliente que la pila y entrga asi calor. Por lo
tanto, la parcela se expande termicamente a alta presion y se contrae a baja
presion, que amplifica las oscilaciones de la presion de las ondas acusticas de
reverberacion, transformando energia termica en energia acustica.
Motor termoacustico simple.
La foto nos muestra un motor termoacoustico simple
que se puede construir de componentes comunes.Un tubo quimico pequeño, un
alambre calentador y una cerámica porosa (material usado en convertidores
catalíticos de automotores) dispuesto correctamente pueden producir alrededor
de un vatio de potencia acústica,construido por Reh-lin Chen.
Eduardo Ghershman,26.7.2002
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