Las máquinas no siempre pueden soportar el calor: dos ingenieros explican la física detrás de cómo las olas de calor amenazan todo, desde los automóviles hasta las computadoras

No sólo la gente necesita mantenerse fresca, especialmente en un verano de olas de calor sin precedentes.Muchas máquinas, incluidos teléfonos móviles, centros de datos, automóviles y aviones, se vuelven menos eficientes y se degradan más rápidamente en calor extremo.Las máquinas también generan su propio calor, lo que puede hacer que las temperaturas a su alrededor sean aún más altas.

Somos investigadores de ingeniería quien estudia cómo las máquinas gestionan el calor y formas de recuperar y reutilizar eficazmente el calor que de otro modo se desperdiciaría.Hay varias formas en que el calor extremo afecta a las máquinas.

Ninguna máquina es perfectamente eficiente: todas las máquinas enfrentan cierta fricción interna durante su funcionamiento.Esta fricción hace que las máquinas disipen algo de calor, por lo que cuanto más calor haga afuera, más caliente estará la máquina.

Teléfonos móviles y dispositivos similares con baterías de iones de litio Deje de funcionar también cuando opere en climas superiores a 95 grados Farenheit (35 grados Celsius); esto es para evitar el sobrecalentamiento y una mayor tensión en los componentes electrónicos.

Diseños de refrigeración que utilizan innovadores fluidos de cambio de fase puede ayudar a mantener las máquinas frías, pero en la mayoría de los casos el calor finalmente se disipa en el aire.Por lo tanto, cuanto más caliente esté el aire, más difícil será mantener una máquina lo suficientemente fría para que funcione de manera eficiente.

Además, cuanto más cerca estén las máquinas, más calor se disipará en el entorno.

Materiales deformantes

Las temperaturas más altas, ya sea por el clima o por el exceso de calor irradiado por la maquinaria, pueden hacer que los materiales de la maquinaria se deformen.Para entender esto, consideremos lo que significa la temperatura a nivel molecular.

En la escala molecular, la temperatura es una medida de cuántas moléculas vibran.Entonces, cuanto más caliente hace, más vibran las moléculas que lo componen todo, desde el aire hasta el suelo y los materiales de la maquinaria.

A medida que aumenta la temperatura y las moléculas vibran más, el espacio promedio entre ellas crece, lo que hace que la mayoría de los materiales se expandan a medida que se calientan.Las carreteras son un lugar donde se puede ver esto: el hormigón caliente se expande, se estrecha y eventualmente se agrieta.Este fenómeno también puede ocurrirle a la maquinaria, y las tensiones térmicas son sólo el comienzo del problema.

Retrasos en los viajes y riesgos de seguridad

Las altas temperaturas también pueden cambiar el comportamiento de los aceites del motor de su automóvil, lo que provoca posibles fallas en el motor.Por ejemplo, si una ola de calor hace que la temperatura sea 30 grados F (16,7 grados C) más alta de lo normal, la viscosidad (o espesor) de los aceites de motor de automóvil típicos puede cambiar. por un factor de tres.

Los fluidos como los aceites de motor se vuelven más diluidos a medida que se calientan, por lo que si se calienta demasiado, es posible que el aceite no sea lo suficientemente espeso para lubricar y proteger adecuadamente las piezas del motor contra un mayor desgaste.

Además, un día caluroso hará que el aire dentro de las llantas se expanda y aumente la presión de las mismas, lo que podría aumentar el desgaste y el riesgo de derrapar.

Los aviones tampoco están diseñados para despegar a temperaturas extremas.A medida que hace más calor afuera, el aire comienza a expandirse y ocupa más espacio que antes, haciéndolo más delgado o menos denso.Este reducción de la densidad del aire Disminuye la cantidad de peso que el avión puede soportar durante el vuelo, lo que puede causar importantes retrasos en los viajes o cancelaciones de vuelos.

Degradación de la batería

En general, los componentes electrónicos contenidos en dispositivos como teléfonos celulares, computadoras personales y centros de datos están compuestos de muchos tipos de materiales que responden de manera diferente a los cambios de temperatura.Todos estos materiales están ubicados uno al lado del otro en espacios reducidos.Entonces, a medida que aumenta la temperatura, diferentes tipos de materiales se deforman de manera diferente, lo que potencialmente conduce a desgaste prematuro y falla.

Las baterías de iones de litio de los automóviles y la electrónica en general se degradan más rápidamente a temperaturas de funcionamiento más altas.Esto se debe a que las temperaturas más altas aumentar la velocidad de las reacciones dentro de la batería, incluidas reacciones de corrosión que agotan el litio de la batería.Este proceso desgasta su capacidad de almacenamiento.Investigaciones recientes muestran que los vehículos eléctricos puede perder alrededor del 20% de su alcance cuando se expone a un clima sostenido de 90 grados Farenheit.

Centros de datos, que son edificios llenos de servidores que almacenan datos, disipan cantidades importantes de calor para mantener frescos sus componentes.En días muy calurosos, los ventiladores deben trabajar más para garantizar que los chips no se sobrecalienten.En algunos casos, los ventiladores potentes no son suficientes para enfriar la electrónica.

Para mantener los centros frescos, el aire seco entrante desde el exterior suele enviarse primero a través de una almohadilla húmeda.El agua de la almohadilla se evapora en el aire y absorbe calor, lo que enfría el aire.Esta técnica, llamada enfriamiento evaporativo, suele ser una manera económica y efectiva para mantener los chips a una temperatura de funcionamiento razonable.

Sin embargo, el enfriamiento por evaporación puede requerir un cantidad significativa de agua.Esta cuestión es problemática en regiones donde el agua es escasa.El agua para enfriar se puede agregar al ya intensa huella de recursos asociados a centros de datos.

Aires acondicionados en dificultades

Los aires acondicionados luchan por funcionar de manera efectiva a medida que hace más calor afuera, justo cuando más se necesitan.En los días calurosos, los compresores del aire acondicionado tienen que trabajar más para enviar el calor desde las casas exterior, lo que a su vez aumenta desproporcionadamente el consumo de electricidad y demanda general de electricidad.

Por ejemplo, en Texas, cada aumento de 1,8 grados F (1 grado C) crea un aumento de alrededor del 4% de la demanda de electricidad.

El calor provoca un asombroso aumento del 50% en la demanda de electricidad durante el verano en los países más cálidos, lo que plantea serias amenazas de escasez de electricidad o apagones, junto con mayores emisiones de gases de efecto invernadero.

Cómo prevenir el daño por calor

Las olas de calor y el aumento de las temperaturas en todo el mundo plantean importantes problemas a corto y largo plazo tanto para las personas como para las máquinas.Afortunadamente, hay cosas que puedes hacer para minimizar el daño.

Primero, asegúrese de que sus máquinas se mantengan en un lugar con aire acondicionado, espacio bien aislado o fuera de la luz solar directa.

En segundo lugar, considere usar dispositivos de alta energía como aires acondicionados o cargar su vehículo eléctrico durante las horas de menor actividad, cuando menos personas usan electricidad.Esto puede ayudar a evitar cortes de electricidad locales.

Reutilizar el calor

Los científicos e ingenieros están desarrollando formas de utilizar y reciclar las grandes cantidades de calor disipadas por las máquinas.Un ejemplo sencillo es el uso del calor residual de los centros de datos. calentar agua.

El calor residual también podría impulsar otros tipos de sistemas de aire acondicionado, como enfriadores de absorción, que en realidad puede utilizar el calor como energía para soportar los refrigeradores a través de una serie de procesos químicos y de transferencia de calor.

En cualquier caso, la energía necesaria para calentar o enfriar algo proviene del calor que de otro modo se desperdiciaría.De hecho, el calor residual de las centrales eléctricas podría sustentar hipotéticamente el 27% de la necesidades de aire acondicionado residencial, lo que reduciría el consumo general de energía y las emisiones de carbono.

El calor extremo puede afectar todos los aspectos de la vida moderna y las olas de calor no desaparecerán en los próximos años.Sin embargo, existen oportunidades para aprovechar el calor extremo y hacer que funcione para nosotros.