La fuga térmica describe un proceso que se acelera con el aumento de temperatura , liberando a su vez energía que aumenta aún más la temperatura. La fuga térmica ocurre en situaciones en las que un aumento de temperatura cambia las condiciones de una manera que provoca un aumento adicional de la temperatura, lo que a menudo conduce a un resultado destructivo. Es una especie de retroalimentación positiva incontrolada .
En química (e ingeniería química ), la fuga térmica está asociada con reacciones fuertemente exotérmicas que se aceleran con el aumento de temperatura. En ingeniería eléctrica , la fuga térmica generalmente se asocia con un mayor flujo de corriente y disipación de energía . La fuga térmica puede ocurrir en la ingeniería civil , especialmente cuando no se controla el calor liberado por grandes cantidades de hormigón curado . [ cita necesaria ] En astrofísica , las reacciones de fusión nuclear desbocadas en las estrellas pueden provocar explosiones de novas y varios tipos de supernovas , y también ocurren como un evento menos dramático en la evolución normal de las estrellas de masa solar, el " destello de helio ".
Las reacciones químicas que implican descontrol térmico también se denominan explosiones térmicas en ingeniería química o reacciones descontroladas en química orgánica . Es un proceso mediante el cual una reacción exotérmica se sale de control: la velocidad de reacción aumenta debido a un aumento de la temperatura, lo que provoca un aumento adicional de la temperatura y, por tanto, un aumento adicional rápido de la velocidad de reacción. Esto ha contribuido a los accidentes químicos industriales , en particular el desastre de la ciudad de Texas en 1947 por nitrato de amonio sobrecalentado en la bodega de un barco, y la explosión de zoaleno en 1976 , en una secadora, en King's Lynn . [1] La teoría de Frank-Kamenetskii proporciona un modelo analítico simplificado para la explosión térmica. La ramificación de cadenas es un mecanismo adicional de retroalimentación positiva que también puede hacer que la temperatura se dispare debido al rápido aumento de la velocidad de reacción.
Las reacciones químicas son endotérmicas o exotérmicas, como lo expresa su cambio de entalpía . Muchas reacciones son altamente exotérmicas, por lo que muchos procesos de refinería de petróleo y a escala industrial tienen cierto nivel de riesgo de fuga térmica. Estos incluyen hidrocraqueo , hidrogenación , alquilación (S N 2), oxidación , metalación y sustitución aromática nucleofílica . Por ejemplo, la oxidación de ciclohexano en ciclohexanol y ciclohexanona y ortoxileno en anhídrido ftálico ha provocado explosiones catastróficas cuando falló el control de la reacción.
La fuga térmica puede resultar de reacciones secundarias exotérmicas no deseadas que comienzan a temperaturas más altas, después de un sobrecalentamiento accidental inicial de la mezcla de reacción. Este escenario estuvo detrás del desastre de Seveso , donde la fuga térmica provocó una reacción a las temperaturas tal que, además del 2,4,5-triclorofenol previsto , también se produjo la venenosa 2,3,7,8-tetraclorodibenzo -p -dioxina y fue ventilado al medio ambiente después de que estalló el disco de ruptura del reactor . [2]
La fuga térmica suele deberse a un fallo del sistema de refrigeración de la vasija del reactor . La falla del mezclador puede resultar en un calentamiento localizado, lo que inicia una fuga térmica. De manera similar, en los reactores de flujo , una mezcla insuficiente localizada provoca la formación de puntos calientes, en los que se producen condiciones de descontrol térmico, lo que provoca explosiones violentas del contenido del reactor y de los catalizadores. La instalación incorrecta de los componentes del equipo también es una causa común. Muchas instalaciones de producción de productos químicos están diseñadas con ventilación de emergencia de gran volumen, una medida para limitar el alcance de las lesiones y los daños a la propiedad cuando ocurren tales accidentes.
A gran escala, no es seguro "cargar todos los reactivos y mezclar", como se hace a escala de laboratorio. Esto se debe a que la cantidad de reacción aumenta con el cubo del tamaño del recipiente (V ∝ r³), pero el área de transferencia de calor aumenta con el cuadrado del tamaño (A ∝ r²), de modo que la producción de calor al área escalas de relación con el tamaño (V/A ∝ r). En consecuencia, las reacciones que se enfrían con suficiente rapidez en el laboratorio pueden autocalentarse peligrosamente a escala de toneladas. En 2007, este tipo de procedimiento erróneo provocó la explosión de un reactor de 2.400 galones estadounidenses (9.100 L) utilizado para metalar metilciclopentadieno con sodio metálico , provocando la pérdida de cuatro vidas y partes del reactor arrojadas a 400 pies (120 m) de distancia. . [3] [4] Por lo tanto, las reacciones a escala industrial propensas a la fuga térmica se controlan preferiblemente mediante la adición de un reactivo a una velocidad correspondiente a la capacidad de enfriamiento disponible.
Algunas reacciones de laboratorio deben realizarse bajo refrigeración extrema, porque son muy propensas a una fuga térmica peligrosa. Por ejemplo, en la oxidación de Swern , la formación de cloruro de sulfonio debe realizarse en un sistema refrigerado (-30 °C), porque a temperatura ambiente la reacción sufre un descontrol térmico explosivo. [4]
Las microondas se utilizan para calentar diversos materiales en la cocina y en diversos procesos industriales. La velocidad de calentamiento del material depende de la absorción de energía, que depende de la constante dieléctrica del material. La dependencia de la constante dieléctrica de la temperatura varía para diferentes materiales; Algunos materiales muestran un aumento significativo al aumentar la temperatura. Este comportamiento, cuando el material se expone a las microondas, conduce a un sobrecalentamiento local selectivo, ya que las áreas más cálidas son más capaces de aceptar más energía que las áreas más frías, lo que es potencialmente peligroso, especialmente para los aislantes térmicos, donde el intercambio de calor entre los puntos calientes y el el resto del material es lento. Estos materiales se denominan materiales de fuga térmica . Este fenómeno ocurre en algunas cerámicas .
Algunos componentes electrónicos desarrollan resistencias más bajas o voltajes de activación más bajos (para resistencias no lineales) a medida que aumenta su temperatura interna. Si las condiciones del circuito causan un flujo de corriente notablemente aumentado en estas situaciones, una mayor disipación de energía puede elevar aún más la temperatura debido al calentamiento Joule . Un círculo vicioso o un efecto de retroalimentación positiva de la fuga térmica puede causar fallas, a veces de manera espectacular (por ejemplo, explosión eléctrica o incendio). Para evitar estos peligros, los sistemas electrónicos bien diseñados suelen incorporar protección limitadora de corriente, como fusibles térmicos, disyuntores o limitadores de corriente PTC .
Para manejar corrientes más grandes, los diseñadores de circuitos pueden conectar múltiples dispositivos de menor capacidad (por ejemplo, transistores, diodos o MOV ) en paralelo . Esta técnica puede funcionar bien, pero es susceptible a un fenómeno llamado acaparamiento de corriente , en el que la corriente no se comparte por igual entre todos los dispositivos. Por lo general, un dispositivo puede tener una resistencia ligeramente menor y, por lo tanto, consume más corriente, calentándolo más que sus dispositivos hermanos, lo que hace que su resistencia caiga aún más. La carga eléctrica termina canalizándose hacia un solo dispositivo, que luego falla rápidamente. Por lo tanto, es posible que una serie de dispositivos no resulten más robustos que su componente más débil.
El efecto de acaparamiento de corriente se puede reducir haciendo coincidir cuidadosamente las características de cada dispositivo en paralelo o utilizando otras técnicas de diseño para equilibrar la carga eléctrica. Sin embargo, mantener el equilibrio de carga en condiciones extremas puede no ser sencillo. Los dispositivos con un coeficiente de temperatura positivo intrínseco (PTC) de resistencia eléctrica son menos propensos a acaparar la corriente, pero aún así puede ocurrir una fuga térmica debido a una mala absorción de calor u otros problemas.
Muchos circuitos electrónicos contienen disposiciones especiales para evitar la fuga térmica. Esto se ve con mayor frecuencia en disposiciones de polarización de transistores para etapas de salida de alta potencia. Sin embargo, cuando el equipo se utiliza por encima de la temperatura ambiente para la que fue diseñado, en algunos casos aún puede producirse una fuga térmica. En ocasiones, esto provoca fallas en el equipo en ambientes calurosos o cuando las salidas de aire están bloqueadas.
El silicio muestra un perfil peculiar, en el sentido de que su resistencia eléctrica aumenta con la temperatura hasta aproximadamente 160 °C, luego comienza a disminuir y cae aún más cuando se alcanza el punto de fusión. Esto puede conducir a fenómenos de fuga térmica dentro de las regiones internas de la unión del semiconductor ; la resistencia disminuye en las regiones que se calientan por encima de este umbral, lo que permite que fluya más corriente a través de las regiones sobrecalentadas, lo que a su vez provoca aún más calentamiento en comparación con las regiones circundantes, lo que conduce a un mayor aumento de temperatura y una disminución de la resistencia. Esto conduce al fenómeno de aglomeración de corriente y formación de filamentos de corriente (similar al acaparamiento de corriente, pero dentro de un solo dispositivo) y es una de las causas subyacentes de muchas fallas en las uniones de semiconductores .
La corriente de fuga aumenta significativamente en los transistores bipolares (especialmente los transistores bipolares basados en germanio ) a medida que aumentan la temperatura. Dependiendo del diseño del circuito, este aumento en la corriente de fuga puede aumentar la corriente que fluye a través de un transistor y, por lo tanto, la disipación de energía , provocando un aumento adicional en la corriente de fuga del colector al emisor. Esto se ve con frecuencia en una etapa push-pull de un amplificador de clase AB . Si los transistores pull-up y pull-down están polarizados para tener una distorsión cruzada mínima a temperatura ambiente , y la polarización no está compensada con la temperatura, entonces, a medida que la temperatura aumenta, ambos transistores estarán cada vez más polarizados, lo que provocará que la corriente y la potencia aumenten aún más. y eventualmente destruyendo uno o ambos dispositivos.
Una regla general para evitar la fuga térmica es mantener el punto de funcionamiento de un BJT de modo que V ce ≤ 1/2 V cc
Otra práctica es montar un transistor sensor de retroalimentación térmica u otro dispositivo en el disipador de calor, para controlar el voltaje de polarización cruzada. A medida que los transistores de salida se calientan, también lo hace el transistor de retroalimentación térmica. Esto, a su vez, hace que el transistor de retroalimentación térmica se encienda a un voltaje ligeramente más bajo, reduciendo el voltaje de polarización cruzada y, por lo tanto, reduciendo el calor disipado por los transistores de salida.
Si se conectan varios transistores BJT en paralelo (lo cual es típico en aplicaciones de alta corriente), puede ocurrir un problema de acaparamiento de corriente. Se deben tomar medidas especiales para controlar esta vulnerabilidad característica de los BJT.
En los transistores de potencia (que efectivamente constan de muchos transistores pequeños en paralelo), puede ocurrir un acaparamiento de corriente entre diferentes partes del propio transistor, con una parte del transistor calentándose más que las otras. Esto se llama segunda avería y puede provocar la destrucción del transistor incluso cuando la temperatura promedio de la unión parece estar en un nivel seguro.
Los MOSFET de potencia normalmente aumentan su resistencia con la temperatura. En algunas circunstancias, la potencia disipada en esta resistencia provoca un mayor calentamiento de la unión, lo que aumenta aún más la temperatura de la unión , en un circuito de retroalimentación positiva . Como consecuencia, los MOSFET de potencia tienen regiones de operación estables e inestables. [5] Sin embargo, el aumento de la resistencia con la temperatura ayuda a equilibrar la corriente entre múltiples MOSFET conectados en paralelo, por lo que no se produce un acaparamiento de corriente. Si un transistor MOSFET produce más calor del que el disipador de calor puede disipar, entonces la fuga térmica aún puede destruir los transistores. Este problema se puede aliviar hasta cierto punto reduciendo la resistencia térmica entre el transistor y el disipador de calor. Véase también Potencia de diseño térmico .
Los varistores de óxido metálico suelen desarrollar una menor resistencia a medida que se calientan. Si se conecta directamente a través de un bus de alimentación de CA o CC (un uso común para protección contra picos de voltaje ), un MOV que ha desarrollado un voltaje de disparo reducido puede sufrir una fuga térmica catastrófica, que posiblemente culmine en una pequeña explosión o incendio. [6] Para evitar esta posibilidad, la corriente de falla generalmente está limitada por un fusible térmico, un disyuntor u otro dispositivo limitador de corriente.
Los condensadores de tantalio son, en algunas condiciones, propensos a la autodestrucción por fuga térmica. El condensador normalmente consiste en una esponja de tantalio sinterizada que actúa como ánodo , un cátodo de dióxido de manganeso y una capa dieléctrica de pentóxido de tantalio creada sobre la superficie de la esponja de tantalio mediante anodización . Puede suceder que la capa de óxido de tantalio tenga puntos débiles que sufran una ruptura dieléctrica durante un pico de tensión . La esponja de tantalio entra entonces en contacto directo con el dióxido de manganeso y el aumento de la corriente de fuga provoca un calentamiento localizado; Por lo general, esto impulsa una reacción química endotérmica que produce óxido de manganeso (III) y regenera ( autocura ) la capa dieléctrica de óxido de tantalio.
Sin embargo, si la energía disipada en el punto de falla es lo suficientemente alta, puede comenzar una reacción exotérmica autosostenida , similar a la reacción de la termita , con tantalio metálico como combustible y dióxido de manganeso como oxidante. Esta reacción indeseable destruirá el condensador, produciendo humo y posiblemente llamas . [7]
Por lo tanto, los condensadores de tantalio se pueden implementar libremente en circuitos de pequeña señal, pero la aplicación en circuitos de alta potencia debe diseñarse cuidadosamente para evitar fallas térmicas descontroladas.
La corriente de fuga de los transistores de conmutación lógica aumenta con la temperatura. En raras ocasiones, esto puede provocar una fuga térmica en los circuitos digitales. Este no es un problema común, ya que las corrientes de fuga generalmente constituyen una pequeña porción del consumo total de energía, por lo que el aumento de energía es bastante modesto: para un Athlon 64 , la disipación de energía aumenta aproximadamente un 10% por cada 30 grados Celsius. [8] Para un dispositivo con un TDP de 100 W, para que se produzca una fuga térmica, el disipador de calor tendría que tener una resistividad térmica de más de 3 K/W (kelvins por vatio), que es aproximadamente 6 veces peor que un stock. Disipador de calor Athlon 64. (Un disipador de calor Athlon 64 estándar tiene una potencia nominal de 0,34 K/W, aunque la resistencia térmica real al medio ambiente es algo mayor, debido al límite térmico entre el procesador y el disipador de calor, el aumento de las temperaturas en la carcasa y otras resistencias térmicas. [ cita necesario ] ) En cualquier caso, un disipador de calor inadecuado con una resistencia térmica de más de 0,5 a 1 K/W resultaría en la destrucción de un dispositivo de 100 W incluso sin efectos de fuga térmica.
Cuando se manipulan incorrectamente o si se fabrican de manera defectuosa, algunas baterías recargables pueden experimentar una fuga térmica que provoca un sobrecalentamiento. Las celdas selladas a veces explotan violentamente si los respiraderos de seguridad están obstruidos o no funcionan. [9] Especialmente propensas a la fuga térmica son las baterías de iones de litio , más notablemente en la forma de batería de polímero de litio . [ cita necesaria ] Ocasionalmente aparecen en los periódicos informes sobre teléfonos móviles que explotan. En 2006, las baterías de Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell y otros fabricantes de portátiles fueron retiradas del mercado debido a incendios y explosiones. [10] [11] [12] [13] La Administración de Seguridad de Materiales Peligrosos y Oleoductos (PHMSA) del Departamento de Transporte de EE. UU. ha establecido regulaciones relativas al transporte de ciertos tipos de baterías en aviones debido a su inestabilidad en determinadas situaciones. Esta acción se inspiró parcialmente en un incendio en la bahía de carga de un avión de FedEx . [14] Una de las posibles soluciones es utilizar materiales de ánodo (titanatos de litio) y cátodos ( fosfato de hierro y litio ) más seguros y menos reactivos, evitando así los electrodos de cobalto en muchas pilas recargables de litio, junto con electrolitos no inflamables basados en líquidos iónicos. .
Pueden ocurrir reacciones termonucleares desbocadas en las estrellas cuando la fusión nuclear se enciende en condiciones bajo las cuales la presión gravitacional ejercida por las capas superpuestas de la estrella excede en gran medida la presión térmica , una situación que hace posible rápidos aumentos de temperatura a través de la compresión gravitacional . Tal escenario puede surgir en estrellas que contienen materia degenerada , en las que la presión de degeneración de electrones, en lugar de la presión térmica normal, hace la mayor parte del trabajo de sostener la estrella contra la gravedad, y en estrellas que sufren implosión. En todos los casos, el desequilibrio surge antes de la ignición por fusión; de lo contrario, las reacciones de fusión se regularían naturalmente para contrarrestar los cambios de temperatura y estabilizar la estrella. Cuando la presión térmica está en equilibrio con la presión suprayacente, una estrella responderá al aumento de temperatura y presión térmica debido al inicio de una nueva reacción exotérmica expandiéndose y enfriándose. Una reacción descontrolada sólo es posible cuando se inhibe esta respuesta.
Cuando las estrellas en el rango de masa solar de 0,8 a 2,0 agotan el hidrógeno de sus núcleos y se convierten en gigantes rojas , el helio que se acumula en sus núcleos alcanza la degeneración antes de encenderse. Cuando el núcleo degenerado alcanza una masa crítica de aproximadamente 0,45 masas solares, se enciende la fusión de helio y despega de manera descontrolada, lo que se denomina destello de helio , aumentando brevemente la producción de energía de la estrella a un ritmo 100 mil millones de veces normal. Alrededor del 6% del núcleo se convierte rápidamente en carbono. [15] Si bien la liberación es suficiente para convertir el núcleo nuevamente en plasma normal después de unos segundos, no altera la estrella, [16] [17] ni cambia inmediatamente su luminosidad. Luego, la estrella se contrae, abandona la fase de gigante roja y continúa su evolución hacia una fase estable de combustión de helio .
Una nova resulta de una fusión descontrolada de hidrógeno (a través del ciclo CNO ) en la capa exterior de una estrella enana blanca de carbono y oxígeno . Si una enana blanca tiene una estrella compañera de la que puede acumular gas , el material se acumulará en una capa superficial degenerada por la intensa gravedad de la enana. En las condiciones adecuadas, una capa suficientemente gruesa de hidrógeno acaba calentándose a una temperatura de 20 millones de K, provocando una fusión galopante. La capa superficial se desprende de la enana blanca, aumentando la luminosidad en un factor del orden de 50.000. Sin embargo, la enana blanca y su compañera permanecen intactas, por lo que el proceso puede repetirse. [18] Un tipo mucho más raro de nova puede ocurrir cuando la capa externa que se enciende está compuesta de helio. [19]
De manera análoga al proceso que conduce a las novas, la materia degenerada también puede acumularse en la superficie de una estrella de neutrones que está acumulando gas de una compañera cercana. Si se acumula una capa de hidrógeno suficientemente gruesa, la ignición de la fusión descontrolada del hidrógeno puede provocar una explosión de rayos X. Al igual que con las novas, estas explosiones tienden a repetirse y también pueden ser provocadas por la fusión de helio o incluso de carbono. [20] [21] Se ha propuesto que en el caso de "superexplosiones", la ruptura descontrolada de núcleos pesados acumulados en núcleos del grupo del hierro mediante fotodisociación en lugar de fusión nuclear podría contribuir con la mayor parte de la energía de la explosión. [21]
Una supernova de tipo Ia resulta de una fusión descontrolada de carbono en el núcleo de una estrella enana blanca de carbono y oxígeno. Si una enana blanca, que está compuesta casi en su totalidad por materia degenerada, puede ganar masa a partir de una compañera, el aumento de la temperatura y la densidad del material en su núcleo provocará la fusión del carbono si la masa de la estrella se acerca al límite de Chandrasekhar . Esto provoca una explosión que destruye por completo la estrella. La luminosidad aumenta en un factor de más de 5 mil millones. Una forma de ganar masa adicional sería acumulando gas de una estrella gigante (o incluso de la secuencia principal ) compañera. [22] Un segundo mecanismo, aparentemente más común, para generar el mismo tipo de explosión es la fusión de dos enanas blancas . [22] [23]
Se cree que una supernova de inestabilidad de pares es el resultado de una fusión descontrolada de oxígeno en el núcleo de una estrella masiva de metalicidad baja a moderada, de 130 a 250 masas solares . [24] Según la teoría, en una estrella de este tipo se acumula un núcleo grande pero de densidad relativamente baja de oxígeno que no se fusiona, cuyo peso se sustenta en la presión de los rayos gamma producidos por la temperatura extrema. A medida que el núcleo se calienta aún más, los rayos gamma eventualmente comienzan a superar el umbral de energía necesario para la desintegración inducida por colisión en pares electrón - positrón , un proceso llamado producción de pares . Esto provoca una caída en la presión dentro del núcleo, lo que hace que se contraiga y se caliente aún más, provocando una mayor producción de pares, una mayor caída de presión, etc. El núcleo comienza a sufrir un colapso gravitacional . En algún momento, esto enciende una fusión descontrolada de oxígeno, liberando suficiente energía para destruir la estrella. Estas explosiones son raras, quizás una por cada 100.000 supernovas.
No todas las supernovas son provocadas por una fusión nuclear descontrolada. Las supernovas de tipo Ib, Ic y tipo II también sufren un colapso central, pero debido a que han agotado su suministro de núcleos atómicos capaces de sufrir reacciones de fusión exotérmicas, colapsan hasta convertirse en estrellas de neutrones o, en los casos de mayor masa, en agujeros negros estelares. , impulsando explosiones mediante la liberación de energía potencial gravitacional (en gran parte mediante la liberación de neutrinos ). Es la ausencia de reacciones de fusión desbocadas lo que permite que tales supernovas dejen restos estelares compactos .
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