El flujo describe cualquier efecto que parece pasar o viajar (ya sea que realmente se mueva o no) a través de una superficie o sustancia. El flujo es un concepto de matemáticas aplicadas y cálculo vectorial que tiene muchas aplicaciones en la física . Para los fenómenos de transporte , el flujo es una cantidad vectorial que describe la magnitud y dirección del flujo de una sustancia o propiedad. En cálculo vectorial, el flujo es una cantidad escalar , definida como la integral de superficie de la componente perpendicular de un campo vectorial sobre una superficie. [1]
La palabra flujo proviene del latín : fluxus significa "fluir" y fluere es "fluir". [2] Como fluxión , este término fue introducido en el cálculo diferencial por Isaac Newton .
El concepto de flujo de calor fue un aporte clave de Joseph Fourier , en el análisis de los fenómenos de transferencia de calor. [3] Su tratado fundamental Théorie analytique de la chaleur ( La teoría analítica del calor ), [4] define la fluxión como una cantidad central y procede a derivar las ahora bien conocidas expresiones de flujo en términos de diferencias de temperatura a través de una losa, y luego, de manera más general, en términos de gradientes de temperatura o diferenciales de temperatura, entre otras geometrías. Se podría argumentar, basándose en el trabajo de James Clerk Maxwell , [5] que la definición de transporte precede a la definición de flujo utilizada en electromagnetismo . La cita específica de Maxwell es:
En el caso de los flujos, debemos tomar la integral, sobre una superficie, del flujo que pasa por cada elemento de la superficie. El resultado de esta operación se llama integral de superficie del flujo. Representa la cantidad que pasa por la superficie.
—James Clerk Maxwell
Según la definición de transporte, el flujo puede ser un único vector o puede ser un campo vectorial/función de posición. En el último caso, el fundente se puede integrar fácilmente sobre una superficie. Por el contrario, según la definición de electromagnetismo, el flujo es la integral sobre una superficie; No tiene sentido integrar un flujo de segunda definición, ya que sería integrar dos veces sobre una superficie. Por lo tanto, la cita de Maxwell sólo tiene sentido si se utiliza "flujo" de acuerdo con la definición de transporte (y además es un campo vectorial en lugar de un vector único). Esto es irónico porque Maxwell fue uno de los principales desarrolladores de lo que ahora llamamos "flujo eléctrico" y "flujo magnético" según la definición de electromagnetismo. Sus nombres de acuerdo con la cita (y la definición de transporte) serían "integral de superficie de flujo eléctrico" e "integral de superficie de flujo magnético", en cuyo caso "flujo eléctrico" se definiría como "campo eléctrico" y "flujo magnético". "definido como "campo magnético". Esto implica que Maxwell concibió estos campos como flujos de algún tipo.
Dado un flujo según la definición de electromagnetismo, la densidad de flujo correspondiente , si se usa ese término, se refiere a su derivada a lo largo de la superficie que fue integrada. Según el teorema fundamental del cálculo , la densidad de flujo correspondiente es un flujo según la definición de transporte. Dada una corriente como la corriente eléctrica (carga por tiempo), la densidad de corriente también sería un flujo según la definición de transporte: carga por tiempo por área. Debido a las definiciones contradictorias de flujo y la intercambiabilidad de flujo , flujo y corriente en inglés no técnico, todos los términos utilizados en este párrafo a veces se usan de manera intercambiable y ambigua. Los fundentes de hormigón en el resto de este artículo se utilizarán de acuerdo con su amplia aceptación en la literatura, independientemente de a qué definición de fundente corresponda el término.
En los fenómenos de transporte ( transferencia de calor , transferencia de masa y dinámica de fluidos ), el flujo se define como la tasa de flujo de una propiedad por unidad de área, que tiene las dimensiones [cantidad]·[tiempo] −1 ·[área] −1 . [6] El área es la superficie por la que la propiedad fluye "a través" o "a través". Por ejemplo, la cantidad de agua que fluye a través de una sección transversal de un río cada segundo dividida por el área de esa sección transversal, o la cantidad de energía solar que cae sobre una porción de tierra cada segundo dividida por el área de la porción, son tipos de flujo.
Aquí hay 3 definiciones en orden creciente de complejidad. Cada uno es un caso especial de los siguientes. En todos los casos, el símbolo frecuente j , (o J ) se utiliza para flujo, q para la cantidad física que fluye, t para tiempo y A para área. Estos identificadores se escribirán en negrita cuando y sólo cuando sean vectores.
Primero, el flujo como un escalar (único):
En segundo lugar, el flujo como un campo escalar definido a lo largo de una superficie, es decir, una función de puntos sobre la superficie:
Finalmente, el flujo como campo vectorial :
Estas definiciones directas, especialmente la última, son bastante difíciles de manejar. Por ejemplo, la construcción arg max es artificial desde la perspectiva de mediciones empíricas, cuando con una veleta o similar se puede deducir fácilmente la dirección del flujo en un punto. En lugar de definir directamente el flujo vectorial, suele ser más intuitivo enunciar algunas propiedades al respecto. Además, a partir de estas propiedades se puede determinar de todos modos el flujo de forma inequívoca.
Si el flujo j pasa a través del área formando un ángulo θ con respecto al área normal , entonces el producto escalar
Para el flujo vectorial, la integral de superficie de j sobre una superficie S da el flujo adecuado por unidad de tiempo a través de la superficie:
Finalmente, podemos integrar nuevamente durante el tiempo t 1 a t 2 , obteniendo la cantidad total de la propiedad que fluye a través de la superficie en ese tiempo ( t 2 − t 1 ):
Ocho de las formas más comunes de flujo de la literatura sobre fenómenos de transporte se definen de la siguiente manera:
Estos flujos son vectores en cada punto del espacio y tienen una magnitud y dirección definidas. Además, se puede tomar la divergencia de cualquiera de estos flujos para determinar la tasa de acumulación de la cantidad en un volumen de control alrededor de un punto determinado en el espacio. Para un flujo incompresible , la divergencia del flujo volumétrico es cero.
Como se mencionó anteriormente, el flujo molar químico de un componente A en un sistema isobárico isotérmico se define en la ley de difusión de Fick como:
Este flujo tiene unidades de mol · m −2 · s −1 y se ajusta a la definición original de flujo de Maxwell. [5]
Para gases diluidos, la teoría cinética molecular relaciona el coeficiente de difusión D con la densidad de partículas n = N / V , la masa molecular m , la sección transversal de colisión y la temperatura absoluta T mediante
En flujos turbulentos, el transporte por movimiento de remolinos se puede expresar como un coeficiente de difusión muy aumentado.
En mecánica cuántica , las partículas de masa m en el estado cuántico ψ ( r , t ) tienen una densidad de probabilidad definida como
Como concepto matemático, el flujo está representado por la integral de superficie de un campo vectorial , [12]
donde F es un campo vectorial y d A es el área vectorial de la superficie A , dirigida como la normal a la superficie . Para el segundo, n es el vector unitario normal a la superficie que apunta hacia afuera.
La superficie tiene que ser orientable , es decir, que se puedan distinguir dos lados: la superficie no se pliega sobre sí misma. Además, la superficie tiene que estar realmente orientada, es decir, utilizamos una convención en cuanto a fluir en qué dirección se cuenta positiva; El flujo hacia atrás se cuenta entonces como negativo.
La normal a la superficie suele estar dirigida por la regla de la mano derecha .
Por el contrario, se puede considerar el flujo como la cantidad más fundamental y llamar al campo vectorial densidad de flujo.
A menudo, un campo vectorial se dibuja mediante curvas (líneas de campo) que siguen el "flujo"; la magnitud del campo vectorial es entonces la densidad de líneas y el flujo a través de una superficie es el número de líneas. Las líneas se originan en áreas de divergencia positiva (fuentes) y terminan en áreas de divergencia negativa (sumideros).
Vea también la imagen de la derecha: el número de flechas rojas que pasan a través de una unidad de área es la densidad de flujo, la curva que rodea las flechas rojas denota el límite de la superficie y la orientación de las flechas con respecto a la superficie denota el signo de el producto interno del campo vectorial con las normales de la superficie.
Si la superficie encierra una región 3D, normalmente la superficie se orienta de manera que la afluencia se cuente como positiva; lo contrario es la salida .
El teorema de divergencia establece que el flujo neto de salida a través de una superficie cerrada, en otras palabras, el flujo neto de salida desde una región 3D, se encuentra sumando el flujo neto local de cada punto de la región (que se expresa mediante la divergencia ).
Si la superficie no está cerrada, tiene como límite una curva orientada. El teorema de Stokes establece que el flujo de la curvatura de un campo vectorial es la integral de línea del campo vectorial sobre este límite. Esta integral de trayectoria también se llama circulación , especialmente en dinámica de fluidos. Por tanto, el rizo es la densidad de circulación.
Podemos aplicar el flujo y estos teoremas a muchas disciplinas en las que vemos corrientes, fuerzas, etc., aplicadas a través de áreas.
Una "carga" eléctrica, como un solo protón en el espacio, tiene una magnitud definida en culombios. Tal carga tiene un campo eléctrico que la rodea. En forma gráfica, el campo eléctrico de una carga puntual positiva se puede visualizar como un punto que irradia líneas de campo eléctrico (a veces también llamadas "líneas de fuerza"). Conceptualmente, se puede considerar el flujo eléctrico como "el número de líneas de campo" que pasan por un área determinada. Matemáticamente, el flujo eléctrico es la integral de la componente normal del campo eléctrico en un área determinada. Por lo tanto, las unidades de flujo eléctrico son, en el sistema MKS , newtons por culombio multiplicado por metros cuadrados, o N m 2 /C. (La densidad de flujo eléctrico es el flujo eléctrico por unidad de área y es una medida de la intensidad del componente normal del campo eléctrico promediada sobre el área de integración. Sus unidades son N/C, igual que el campo eléctrico en unidades MKS. )
Se utilizan dos formas de flujo eléctrico , una para el campo E : [13] [14]
y uno para el campo D (llamado desplazamiento eléctrico ):
Esta cantidad surge en la ley de Gauss , que establece que el flujo del campo eléctrico E fuera de una superficie cerrada es proporcional a la carga eléctrica Q A encerrada en la superficie (independientemente de cómo se distribuya esa carga), la forma integral es:
donde ε 0 es la permitividad del espacio libre .
Si se considera el flujo del vector de campo eléctrico, E , para un tubo cerca de una carga puntual en el campo de la carga pero que no la contiene con lados formados por líneas tangentes al campo, el flujo para los lados es cero y hay un flujo igual y opuesto en ambos extremos del tubo. Esto es una consecuencia de la ley de Gauss aplicada a un campo cuadrado inverso. El flujo para cualquier superficie transversal del tubo será el mismo. El flujo total para cualquier superficie que rodee una carga q es q / ε 0 . [15]
En el espacio libre, el desplazamiento eléctrico viene dado por la relación constitutiva D = ε 0 E , por lo que para cualquier superficie delimitadora el flujo del campo D es igual a la carga Q A dentro de ella. Aquí la expresión "flujo de" indica una operación matemática y, como puede verse, el resultado no es necesariamente un "flujo", ya que en realidad nada fluye a lo largo de líneas de campo eléctrico.
La densidad de flujo magnético ( campo magnético ) que tiene la unidad Wb/m 2 ( Tesla ) se denota por B , y el flujo magnético se define de manera análoga: [13] [14]
con la misma notación anterior. La cantidad surge en la ley de inducción de Faraday , donde el flujo magnético depende del tiempo, ya sea porque el límite depende del tiempo o porque el campo magnético depende del tiempo. En forma integral:
donde d ℓ es un elemento lineal vectorial infinitesimal de la curva cerrada , con magnitud igual a la longitud del elemento lineal infinitesimal , y dirección dada por la tangente a la curva , con el signo determinado por la dirección de integración.
La tasa de cambio temporal del flujo magnético a través de un bucle de alambre es menos la fuerza electromotriz creada en ese alambre. La dirección es tal que si se permite que la corriente pase a través del cable, la fuerza electromotriz provocará una corriente que "se opone" al cambio en el campo magnético produciendo por sí misma un campo magnético opuesto al cambio. Esta es la base de los inductores y de muchos generadores eléctricos .
Usando esta definición, el flujo del vector de Poynting S sobre una superficie específica es la velocidad a la que la energía electromagnética fluye a través de esa superficie, definida como antes: [14]
El flujo del vector de Poynting a través de una superficie es la potencia electromagnética , o energía por unidad de tiempo , que pasa a través de esa superficie. Esto se usa comúnmente en el análisis de radiación electromagnética , pero también tiene aplicación a otros sistemas electromagnéticos.
De manera confusa, el vector de Poynting a veces se llama flujo de potencia , que es un ejemplo del primer uso de flujo, arriba. [16] Tiene unidades de vatios por metro cuadrado (W/m 2 ).
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