Disipación

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 a granel 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 uno más frío. Siguiendo la segunda ley de la termodinámica, la entropía varía con la temperatura (reduce la capacidad de trabajo de la combinación de los dos cuerpos), pero nunca decrece 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: flujo de calor a través de una resistencia térmica, flujo de fluido a través de una resistencia de flujo, difusión (mezcla), reacciones químicas y flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica (calentamiento Joule).

Definición

Los procesos disipativos termodinámicos son esencialmente irreversibles. Producen entropía a una tasa finita. En un proceso en el que la temperatura se define localmente de forma continua, la densidad local de la tasa de producción de entropía multiplicada por la temperatura local da la densidad local de potencia disipada.

Una ocurrencia particular de un proceso disipativo no puede ser descrita por un único formalismo hamiltoniano individual. Un proceso disipativo requiere una colección de descripciones hamiltonianas individuales admisibles, siendo desconocida exactamente cuál describe la ocurrencia particular real del proceso de interés. Esto incluye la fricción y todas las fuerzas similares que dan como resultado la falta de coherencia de la energía, es decir, la conversión de un flujo de energía coherente o dirigido en una distribución de energía indirecta o más isotrópica.

Energía

"La conversión de energía mecánica en calor se denomina disipación de energía." – François Roddier El término también se aplica a la pérdida de energía debido a la generación de calor no deseado en los circuitos eléctricos y electrónicos.

Física computacional

En física computacional, la disipación numérica (también conocida como "difusión numérica") se refiere a ciertos efectos secundarios que pueden ocurrir como resultado de una solución numérica a una ecuación diferencial. Cuando la ecuación de advección pura, que no tiene disipación, se resuelve mediante un método de aproximación numérica, la energía de la onda inicial puede reducirse de manera análoga a un proceso de difusión. Se dice que tal método contiene 'disipación'. En algunos casos, la "disipación artificial" se agrega intencionalmente para mejorar las características de estabilidad numérica de la solución.

Matemáticas

En el artículo conjunto errante se proporciona una definición matemática formal de disipación, como se usa comúnmente en el estudio matemático de sistemas dinámicos que conservan la medida.

Ejemplos

En ingeniería hidráulica

La disipación es el proceso de convertir la energía mecánica del agua que fluye hacia abajo en energía térmica y acústica. Varios dispositivos están diseñados en los lechos de los arroyos para reducir la energía cinética de las aguas que fluyen para reducir su potencial erosivo en las orillas y los fondos de los ríos. Muy a menudo, estos dispositivos parecen pequeñas cascadas o cascadas, donde el agua fluye verticalmente o sobre escollera para perder parte de su energía cinética.

Procesos irreversibles

Ejemplos importantes de procesos irreversibles son:

1. Flujo de calor a través de una resistencia térmica
2. Fluido fluido a través de una resistencia al flujo
3. Difusión (mixing)
4. Reacciones químicas
5. Flujo de corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica (calor Joule).

Ondas u oscilaciones

Las ondas u oscilaciones pierden energía con el tiempo, generalmente debido a la fricción o la turbulencia. En muchos casos, el "perdido" energía eleva la temperatura del sistema. Por ejemplo, se dice que una onda que pierde amplitud se disipa. La naturaleza precisa de los efectos depende de la naturaleza de la onda: una onda atmosférica, por ejemplo, puede disiparse cerca de la superficie debido a la fricción con la masa terrestre y en niveles más altos debido al enfriamiento radiativo.

Historia

El concepto de disipación fue introducido en el campo de la termodinámica por William Thomson (Lord Kelvin) en 1852. Lord Kelvin dedujo que ocurrirá un subconjunto de los procesos disipativos irreversibles mencionados anteriormente a menos que un proceso esté gobernado por un "motor termodinámico perfecto". Los procesos que identificó Lord Kelvin fueron la fricción, la difusión, la conducción del calor y la absorción de la luz.