Qué es la energía disipada
En termodinámica, la disipación es el resultado de un proceso irreversible que tiene lugar en sistemas termodinámicos homogéneos. En un proceso disipativo, la energía (interna, cinética de flujo de masa o potencial del sistema) se transforma de una forma inicial a una forma final, donde la capacidad de la forma final para realizar trabajo termodinámico es menor que la de la forma inicial. Por ejemplo, la transferencia de calor es disipativa porque es una transferencia de energía interna de un cuerpo más caliente a otro más frío. Siguiendo la segunda ley de la termodinámica, la entropía varía con la temperatura (reduce la capacidad de la combinación de los dos cuerpos para realizar trabajo), pero nunca disminuye en un sistema aislado.
Estos procesos producen entropía a un ritmo determinado. La tasa de producción de entropía multiplicada por la temperatura ambiente da la potencia disipada. Ejemplos importantes de procesos irreversibles son: el flujo de calor a través de una resistencia térmica, el flujo de fluidos a través de una resistencia de flujo, la difusión (mezcla), las reacciones químicas y el flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica (calentamiento Joule).
Qué es la disipación de energía en física
De todo lo anterior se desprende que cuando una interacción puede ser descrita completamente por una función de energía potencial podemos definir una cantidad, que hemos llamado energía mecánica total del sistema, \ (E_{mech} = K + U\), que es constante durante toda la interacción. Sin embargo, ya sabemos, por nuestro estudio de las colisiones inelásticas, que éste no suele ser el caso. Esencial para el concepto de energía potencial es la idea de “almacenamiento y recuperación” de la energía cinética del sistema durante el proceso de interacción. Cuando la energía cinética simplemente desaparece del sistema y no vuelve, no es posible una descripción completa del proceso en términos de energía potencial.
Los procesos en los que desaparece cierta cantidad de energía mecánica (es decir, que ya no se encuentra en ninguna parte como energía cinética o potencial macroscópica) se denominan disipativos. Por muy misteriosos que parezcan a primera vista, en realidad tienen una explicación sencilla e intuitiva. Todos los sistemas macroscópicos están formados por un gran número de pequeñas piezas que gozan, a nivel microscópico, de cierto grado de independencia entre sí y respecto al cuerpo al que pertenecen. El movimiento macroscópico de un objeto requiere que todas estas partes se muevan juntas como un todo, al menos en promedio; sin embargo, una colisión con otro objeto puede muy bien “sacudir” todas estas partes y dejarlas en un estado más o menos desorganizado. Si la energía total se conserva, entonces después de la colisión los átomos o moléculas del objeto pueden estar, en promedio, vibrando más rápido o golpeándose entre sí con más frecuencia que antes, pero lo harán en direcciones aleatorias, por lo que esta mayor “agitación” no se percibirá como movimiento macroscópico del objeto en su conjunto.
Transferencias de energía
ResumenDespués de más de un siglo de investigaciones detalladas sobre la fricción por deslizamiento, aún no hemos llegado a una comprensión básica de la disipación de energía, ni siquiera para la geometría simple de un deslizador rígido que se mueve sobre una contra superficie perfectamente periódica. En este artículo, utilizamos un análisis basado en los primeros principios para establecer los mecanismos atomísticos de disipación de energía por fricción para un objeto rígido que se mueve continuamente en el paisaje de potencial superficial periódico de un sólido con grados de libertad vibracional. Identificamos dos mecanismos que pueden considerarse como (i) el bombeo continuo de energía hacia los modos resonantes, si éstos existen, y (ii) la interferencia destructiva de las contribuciones de fuerza introducidas por todos los modos fonónicos excitados. Estos mecanismos actúan ya en un sistema puramente dinámico que incluye modos fonónicos independientes y no interactivos, y manifiestan la irreversibilidad como una especie de “estocastización dinámica”. En contraste con las opiniones generalizadas, mostramos que la transformación de la energía mecánica en calor, que siempre tiene lugar en los sistemas reales debido al acoplamiento entre los modos fonónicos, puede desempeñar sólo un papel menor en la aparición de la fricción, si es que la hay. Esta visión de los mecanismos microscópicos de disipación de energía abre una nueva vía directa hacia el verdadero control de la fricción.
Disipación de energía – deutsch
ResumenEn este artículo se analizan los mecanismos de disipación de energía mediante la revisión de los modelos y la investigación en la fricción a escala atómica. El estudio se realiza para responder a una pregunta fundamental en el estudio de la fricción: Cómo se disipa el trabajo de fricción, especialmente en los casos en los que el daño y el desgaste del material no están implicados. El inicio de la disipación de energía, el papel de la conmensurabilidad estructural y la estimación de la resistencia al cizallamiento interfacial se han examinado en detalle introduciendo el modelo de Tomlinson, el modelo de Frenkel-Kontorova y el modelo de adoquines, respectivamente. La discusión se extiende al progreso de la disipación de energía descrito en términos de amortiguación fonónica y electrónica. También se incluyen las contribuciones de otros mecanismos de disipación, como la relajación viscoelástica y el desgaste del material. Como ejemplo, analizamos un proceso específico de disipación en el grafeno multicapa, a partir de los resultados de simulaciones de dinámica molecular (MD), que revelan una parte reversible de la energía que circula entre el sistema y el conductor externo. Esto nos lleva a subrayar que es crucial en futuros estudios definir claramente el coeficiente de disipación.