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¿Puede refrigerarse un cuerpo usando magnetismo?

Recientemente leí un artículo corto, de aquellos que nos recomienda Google en nuestros teléfonos inteligentes, que se titulaba “De los egipcios a la física: los orígenes de lo que hoy conocemos como el aire acondicionado”[1], y no solo captó mi atención por aquel método de refrigeración empleado por los egipcios para satisfacer las necesidades térmicas de sus faraones y su evolución hasta el invento del aire acondicionado mucho tiempo después, sino porque es muy escaso encontrar artículos de divulgación que se refieran a los problemas de las tecnologías de la refrigeración y a algunos de los aspectos teóricos y conceptuales que hay de fondo.

En esta entrada quiero hablarles de uno de los mecanismos de refrigeración menos conocidos, pero igual de fascinante que todos los ciclos de compresión, la denominada refrigeración magnética.

El efecto magneto-calórico (EMC) es una propiedad que presentan todos los materiales que presentan comportamientos magnéticos (por ejemplo, los imanes que compras y usas en casa) pero esta propiedad se hace más notoria y de mayor interés tecnológico cuando aparece un fenómeno denominado transición de fase magnética.

Busquemos un ejemplo cotidiano que nos permita pensar en dicho fenómeno:  imaginemos por un momento que tenemos una biblioteca en la casa muy desordenada, los libros están colocados en los estantes de manera aleatoria. Un domingo, te encuentras en casa y decides que es hora de organizar dicha biblioteca, para ello decides invertir tiempo y energía en organizar los libros de una manera coherente de acuerdo a un esquema, por ejemplo, por nombres o por temas.

Esto que acabas de hacerle a tu biblioteca es similar a lo que ocurre cuando tienes un material magnético que está a alta temperatura o sin campos magnéticos externos actuando, se denomina paramagnético (tiene sus momentos magnéticos desordenados sin interactuar entre ellos). Ahora decides enfriar el material o aplicar campo y los espines comienzan a interactuar entre ellos y a organizarse y así tienes un material magnetizado (o como diríamos cotidianamente un imán). Lo anterior es lo que denominamos una transición de fase.

Invertir energía para ordenar los momentos magnéticos de los átomos que componen el sólido, (como ordenar los libros de tu biblioteca), será compensado por un incremento en el desorden del arreglo atómico [2]. En nuestro ejemplo mental, considera que los estantes donde vas a colocar los libros son elásticos, y mientras más libros apilas para organizar, más se van deformando. Esta analogía un poco rústica, nos sirve para entender que la red cristalina tiene características elásticas y si reorientas los momentos magnéticos para que interactúen, se inducen deformaciones estructurales. Esta “competencia” de efectos se verá reflejada en un incremento en la temperatura o calentamiento magnético adiabático y a esto se le conoce como efecto magnetocalórico.

Ahora vamos a pensar en el sistema que está afuera del “imán”; como en el ejemplo de la biblioteca, el sistema externo serías tú. Tuviste que arreglar los libros y para ello invertiste energía. Bueno, en nuestro caso vamos a pensar que tenemos un líquido (que nos servirá de intercambiador de calor) a cierta temperatura que está en contacto con el “imán”, pues las diferencias de temperaturas entre el sólido magnético y el líquido, sumado al proceso energético y termodinámico del material magnético nos permiten recrear un ciclo similar al de enfriamiento y calentamiento de sistemas tipo Carnot, Ericsson entre otros.

En la actualidad, pensar en tecnologías que reemplacen las tradicionales de compresión de gas es una necesidad mundial, especialmente por los efectos que los gases clorofluorocarbonados (CFC) han tenido en la contaminación del planeta y que son típicamente usados en los sistemas de refrigeración convencionales.

Así que te presentamos un tema del cual poco has escuchado hablar y que esperamos pueda ser de tu interés, pues este campo está lleno de interrogantes, de diseño de nuevos materiales, fabricación de sistemas de intercambio y dispositivos reales que funcionen en diferentes regímenes térmicos… ¡Bienvenido al mundo de las aplicaciones del magnetismo que seguramente poco conocías!

[1] F. Rivas (2020, 01,30). De los egipcios a la física: los orígenes de lo que hoy conocemos como el aire acondicionado (online). Disponible: https://www.biobiochile.cl/noticias/ciencia-y-tecnologia/inventos-y-descubrimientos/2020/01/30/de-los-egipcios-a-la-fisica-los-origenes-de-lo-que-hoy-conocemos-como-el-aire-acondicionado.shtml

[2] M. Ríos, “Fabricación y Caracterización de perovskitas tipo 𝐿𝑎1−𝑥𝐷𝑦𝑥𝑀𝑛1−𝑦𝑍𝑛𝑦𝑂3 con sustituciones metálicas” (tesis de maestría). Departamento de Física, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá D.C. 2017.

 

MSc. Mariana Ríos Naranjo

Docente

Facultad de Matemáticas e Ingenierías

Fundación Universitaria Konrad Lorenz

Publicado por Mariana Ríos Naranjo El día 02/10/2020 Enlace permanente Comentarios (0)

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