El descontrol térmico describe un proceso que se acelera con el aumento de temperatura , liberando a su vez energía que aumenta aún más la temperatura. El descontrol térmico ocurre en situaciones en las que un aumento de temperatura cambia las condiciones de una manera que provoca un aumento adicional de temperatura, lo que a menudo conduce a un resultado destructivo. Es un tipo de retroalimentación positiva no controlada .
En química (e ingeniería química ), el descontrol térmico se asocia con reacciones fuertemente exotérmicas que se aceleran con el aumento de la temperatura. En ingeniería eléctrica , el descontrol térmico se asocia típicamente con un mayor flujo de corriente y disipación de potencia . El descontrol térmico puede ocurrir en ingeniería civil , en particular cuando no se controla el calor liberado por grandes cantidades de hormigón en curado . [ cita requerida ] En astrofísica , las reacciones de fusión nuclear descontroladas en las estrellas pueden conducir a explosiones de novas y varios tipos de supernovas , y también ocurren como un evento menos dramático en la evolución normal de 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 por el cual una reacción exotérmica se descontrola: la velocidad de reacción aumenta debido a un aumento de la temperatura, lo que provoca un aumento adicional de la temperatura y, por lo tanto, un aumento rápido adicional de la velocidad de reacción. Esto ha contribuido a accidentes químicos industriales , en particular el desastre de Texas City de 1947 por nitrato de amonio sobrecalentado en la bodega de un barco, y la explosión de zoaleno en 1976 , en un secador, en King's Lynn . [1] La teoría de Frank-Kamenetskii proporciona un modelo analítico simplificado para la explosión térmica. La ramificación de la cadena es un mecanismo de retroalimentación positiva adicional 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 se expresa por su cambio de entalpía . Muchas reacciones son altamente exotérmicas, por lo que muchos procesos a escala industrial y de refinería de petróleo tienen cierto nivel de riesgo de descontrol térmico. 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 orto-xileno en anhídrido ftálico han llevado a explosiones catastróficas cuando falló el control de la reacción.
El descontrol térmico puede ser resultado de reacciones exotérmicas no deseadas que comienzan a temperaturas más altas, después de un sobrecalentamiento accidental inicial de la mezcla de reacción. Este escenario fue el que se produjo tras el desastre de Seveso , donde el descontrol térmico calentó una reacción a temperaturas tales que, además del 2,4,5-triclorofenol previsto , también se produjo la tóxica 2,3,7,8-tetraclorodibenzo- p -dioxina , que se liberó al medio ambiente después de que estallara el disco de ruptura del reactor . [2]
La mayoría de las veces, el descontrol térmico se debe a un fallo del sistema de refrigeración del recipiente del reactor . Un fallo del mezclador puede provocar un calentamiento localizado, que inicia el descontrol térmico. De forma 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, que provocan 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 química están diseñadas con ventilación de emergencia de gran volumen, una medida para limitar la magnitud de las lesiones y los daños materiales cuando se producen este tipo de accidentes.
A gran escala, no es seguro "cargar todos los reactivos y mezclar", como se hace en el laboratorio. Esto se debe a que la cantidad de reacción se escala con el cubo del tamaño del recipiente (V ∝ r³), pero el área de transferencia de calor se escala con el cuadrado del tamaño (A ∝ r²), de modo que la relación entre la producción de calor y el área se escala con el tamaño (V/A ∝ r). En consecuencia, las reacciones que se enfrían fácilmente con la suficiente rapidez en el laboratorio pueden autocalentarse peligrosamente a escala de toneladas. En 2007, este tipo de procedimiento erróneo provocó una explosión de un reactor de 2400 galones estadounidenses (9100 L) utilizado para metalar metilciclopentadieno con sodio metálico , lo que provocó la pérdida de cuatro vidas y partes del reactor que salieron despedidas a 400 pies (120 m) de distancia. [3] [4] Por lo tanto, las reacciones a escala industrial propensas a descontrolarse térmicamente 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 en condiciones de enfriamiento extremo, ya que son muy propensas a un descontrol térmico peligroso. Por ejemplo, en la oxidación de Swern , la formación de cloruro de sulfonio debe realizarse en un sistema refrigerado (−30 °C), ya que 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 a su vez depende de la constante dieléctrica del material. La dependencia de la constante dieléctrica con la temperatura varía para diferentes materiales; algunos materiales muestran un aumento significativo con el aumento de 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 puede ser peligroso, especialmente para los aislantes térmicos, donde el intercambio de calor entre los puntos calientes y 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 provocan un flujo de corriente notablemente mayor en estas situaciones, la mayor disipación de potencia puede aumentar aún más la temperatura mediante el calentamiento Joule . Un círculo vicioso o un efecto de retroalimentación positiva de descontrol térmico puede provocar fallas, a veces de manera espectacular (por ejemplo, explosión eléctrica o incendio). Para evitar estos peligros, los sistemas electrónicos bien diseñados suelen incorporar protección de limitación 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 de manera equitativa entre todos los dispositivos. Por lo general, un dispositivo puede tener una resistencia ligeramente menor y, por lo tanto, consume más corriente, lo que lo calienta más que sus dispositivos hermanos, lo que hace que su resistencia disminuya aún más. La carga eléctrica termina canalizándose hacia un solo dispositivo, que luego falla rápidamente. Por lo tanto, una matriz de dispositivos puede terminar no siendo más robusta que su componente más débil.
El efecto de acaparamiento de corriente se puede reducir haciendo coincidir cuidadosamente las características de cada dispositivo conectado 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 producirse una fuga térmica debido a una disipación de calor deficiente u otros problemas.
Muchos circuitos electrónicos contienen disposiciones especiales para evitar el descontrol térmico. Esto se observa con mayor frecuencia en los dispositivos de polarización de transistores para etapas de salida de alta potencia. Sin embargo, cuando el equipo se utiliza por encima de su temperatura ambiente de diseño, el descontrol térmico puede ocurrir en algunos casos. Esto ocasionalmente causa fallas en el equipo en ambientes cálidos o cuando las rejillas de ventilación de aire están bloqueadas.
El silicio muestra un perfil peculiar, ya 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 provocar fenómenos de descontrol térmico dentro de las regiones internas de la unión de semiconductores ; 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 causa aún más calentamiento en comparación con las regiones circundantes, lo que conduce a un mayor aumento de la 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 muchos fallos de unión de semiconductores .
La corriente de fuga aumenta significativamente en los transistores bipolares (especialmente los transistores bipolares basados en germanio ) a medida que aumenta 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 potencia , lo que provoca un aumento adicional en la corriente de fuga de colector a 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 de cruce mínima a temperatura ambiente , y la polarización no está compensada por la temperatura, entonces, a medida que aumenta la temperatura, ambos transistores estarán cada vez más polarizados, lo que hará que la corriente y la potencia aumenten aún más y, finalmente, destruyan uno o ambos dispositivos.
Una regla general para evitar el descontrol térmico es mantener el punto de funcionamiento de un BJT de modo que V ce ≤ 1/2 V cc
Otra práctica es montar un transistor de detección de retroalimentación térmica u otro dispositivo en el disipador de calor para controlar el voltaje de polarización de cruce. 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, lo que reduce el voltaje de polarización de cruce y, por lo tanto, reduce el calor disipado por los transistores de salida.
Si se conectan varios transistores BJT en paralelo (algo habitual en aplicaciones de alta corriente), puede producirse 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 consisten en muchos transistores pequeños en paralelo), puede producirse una apropiación excesiva de la corriente entre distintas partes del propio transistor, y una parte del transistor se calienta más que las demás. Esto se denomina segunda ruptura y puede provocar la destrucción del transistor incluso cuando la temperatura de unión promedio parece estar en un nivel seguro.
Los MOSFET de potencia suelen aumentar su resistencia de encendido 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 bucle de retroalimentación positiva . Como consecuencia, los MOSFET de potencia tienen regiones de funcionamiento estables e inestables. [5] Sin embargo, el aumento de la resistencia de encendido con la temperatura ayuda a equilibrar la corriente a través de múltiples MOSFET conectados en paralelo, por lo que no se produce acaparamiento de corriente. Si un transistor MOSFET produce más calor del que puede disipar el disipador térmico , entonces el descontrol térmico puede destruir los transistores. Este problema se puede aliviar hasta cierto punto reduciendo la resistencia térmica entre la matriz del transistor y el disipador térmico. Consulte también Diseño térmico de potencia .
Los varistores de óxido metálico suelen desarrollar una resistencia menor a medida que se calientan. Si se conectan directamente a través de un bus de alimentación de CA o CC (un uso común para la protección contra picos de voltaje ), un MOV que ha desarrollado un voltaje de activación reducido puede deslizarse hacia una fuga térmica catastrófica, que posiblemente culmine en una pequeña explosión o incendio. [6] Para evitar esta posibilidad, la corriente de falla generalmente se limita mediante un fusible térmico, un disyuntor u otro dispositivo limitador de corriente.
Los condensadores de tantalio son propensos, en determinadas condiciones, a autodestruirse por fuga térmica. El condensador normalmente consta de 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; normalmente, esto impulsa una reacción química endotérmica que produce óxido de manganeso (III) y regenera ( se autocura ) la capa dieléctrica de óxido de tantalio.
Sin embargo, si la energía disipada en el punto de falla es lo suficientemente alta, puede iniciarse 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 capacitor, produciendo humo y posiblemente llamas . [7]
Por lo tanto, los condensadores de tantalio se pueden utilizar libremente en circuitos de pequeña señal, pero su aplicación en circuitos de alta potencia debe diseñarse con cuidado para evitar fallas por descontrol térmico.
La corriente de fuga de los transistores de conmutación lógica aumenta con la temperatura. En casos excepcionales, esto puede provocar una fuga térmica en los circuitos digitales. Este no es un problema común, ya que las corrientes de fuga suelen representar una pequeña parte del consumo total de energía, por lo que el aumento de potencia es bastante modesto: para un Athlon 64 , la disipación de potencia aumenta aproximadamente un 10 % por cada 30 grados Celsius. [8] Para que se produzca una fuga térmica en un dispositivo con un TDP de 100 W, el disipador de calor tendría que tener una resistividad térmica de más de 3 K/W (kelvin por vatio), que es aproximadamente 6 veces peor que un disipador de calor Athlon 64 estándar. (Un disipador de calor Athlon 64 estándar tiene una potencia nominal de 0,34 K/W, aunque la resistencia térmica real al entorno 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 requerida ] ) De todos modos, un disipador de calor inadecuado con una resistencia térmica de más de 0,5 a 1 K/W provocaría la destrucción de un dispositivo de 100 W incluso sin efectos de descontrol térmico.
Cuando se manipulan de forma inadecuada o si se fabrican de forma defectuosa, algunas baterías recargables pueden experimentar una fuga térmica que resulte en un sobrecalentamiento. Las celdas selladas a veces explotan violentamente si los respiraderos de seguridad están sobrecargados o no funcionan. [9] Especialmente propensas a la fuga térmica son las baterías de iones de litio , más notablemente en la forma de la batería de polímero de litio . [ cita requerida ] Ocasionalmente aparecen informes de teléfonos celulares que explotan en los periódicos. 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 los EE. UU. ha establecido regulaciones con respecto al transporte de ciertos tipos de baterías en aviones debido a su inestabilidad en ciertas situaciones. Esta acción se inspiró parcialmente en un incendio en la bodega de carga de un avión de FedEx . [14] Una de las posibles soluciones es utilizar materiales de ánodo (titanatos de litio) y cátodo ( fosfato de hierro y litio ) más seguros y menos reactivos —evitando así los electrodos de cobalto presentes en muchas celdas recargables de litio— junto con electrolitos no inflamables basados en líquidos iónicos.
Las reacciones termonucleares descontroladas pueden ocurrir en estrellas cuando la fusión nuclear se enciende en condiciones en las que la presión gravitacional ejercida por las capas superpuestas de la estrella excede en gran medida la presión térmica , una situación que hace posible aumentos rápidos 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 experimentan implosión. En todos los casos, el desequilibrio surge antes de la ignición de la 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 superpuesta, una estrella responderá al aumento de temperatura y presión térmica debido al inicio de una nueva reacción exotérmica expandiéndose y enfriándose. Una reacción descontrolada solo es posible cuando se inhibe esta respuesta.
Cuando las estrellas en el rango de 0,8-2,0 masas solares agotan el hidrógeno en sus núcleos y se convierten en gigantes rojas , el helio acumulado en sus núcleos alcanza la degeneración antes de encenderse. Cuando el núcleo degenerado alcanza una masa crítica de aproximadamente 0,45 masas solares, la fusión de helio se enciende y despega de manera descontrolada, llamada destello de helio , aumentando brevemente la producción de energía de la estrella a una tasa 100 mil millones de veces normal. Aproximadamente el 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. La estrella luego se contrae, abandona la fase de gigante roja y continúa su evolución hacia una fase estable de combustión de helio .
Una nova es el resultado de una fusión descontrolada de hidrógeno (a través del ciclo CNO ) en la capa exterior de una estrella enana blanca de carbono-oxígeno . Si una enana blanca tiene una estrella compañera de la que puede acrecentar gas , el material se acumulará en una capa superficial que se degenera por la intensa gravedad de la enana. En las condiciones adecuadas, una capa de hidrógeno suficientemente gruesa se calienta finalmente a una temperatura de 20 millones de K, lo que desencadena una fusión descontrolada. La capa superficial se desprende de la enana blanca, lo que aumenta la luminosidad en un factor del orden de 50.000. Sin embargo, la enana blanca y la compañera permanecen intactas, por lo que el proceso puede repetirse. [18] Un tipo mucho más raro de nova puede ocurrir cuando la capa exterior 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 estrella compañera cercana. Si se acumula una capa de hidrógeno lo suficientemente gruesa, la ignición de la fusión descontrolada de hidrógeno puede entonces conducir a un estallido de rayos X. Al igual que con las novas, estos estallidos tienden a repetirse y también pueden ser desencadenados por la fusión de helio o incluso de carbono. [20] [21] Se ha propuesto que en el caso de los "superestallidos", la ruptura descontrolada de núcleos pesados acumulados en núcleos del grupo del hierro a través de la fotodisociación en lugar de la fusión nuclear podría contribuir a la mayor parte de la energía del estallido. [21]
Una supernova de tipo Ia es el resultado de una fusión descontrolada de carbono en el núcleo de una estrella enana blanca compuesta casi en su totalidad por carbono y oxígeno. Si una enana blanca, que está compuesta casi en su totalidad por materia degenerada, puede ganar masa de una compañera, el aumento de la temperatura y la densidad del material en su núcleo encenderá la fusión de carbono si la masa de la estrella se acerca al límite de Chandrasekhar . Esto conduce a una explosión que desbarata por completo la estrella. La luminosidad aumenta en un factor de más de 5 mil millones. Una forma de ganar masa adicional sería mediante la acreción de gas de una estrella gigante (o incluso de una compañera de secuencia principal ). [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 130 a 250 masas solares, de metalicidad baja a moderada . [24] Según la teoría, en una estrella de este tipo, se acumula un núcleo grande pero de densidad relativamente baja de oxígeno no fusionado, con su peso soportado por la presión de los rayos gamma producidos por la temperatura extrema. A medida que el núcleo se calienta más, los rayos gamma finalmente comienzan a pasar 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 lleva a que se contraiga y se caliente aún más, causando más producción de pares, una caída de presión adicional, y así sucesivamente. El núcleo comienza a sufrir un colapso gravitacional . En algún momento, esto enciende la fusión descontrolada de oxígeno, liberando suficiente energía para borrar la estrella. Estas explosiones son raras, quizás alrededor de 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 del núcleo, pero debido a que han agotado su suministro de núcleos atómicos capaces de experimentar reacciones de fusión exotérmica, colapsan hasta convertirse en estrellas de neutrones o, en los casos de mayor masa, en agujeros negros estelares , alimentando las explosiones mediante la liberación de energía potencial gravitatoria (en gran medida a través de la liberación de neutrinos ). Es la ausencia de reacciones de fusión descontroladas lo que permite que dichas supernovas dejen atrás restos estelares compactos .
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