CRIOGÉNESIS
La criogenia es el conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a la temperatura de ebullición del nitrógeno o a temperaturas aún más bajas. La temperatura de ebullición del nitrógeno, es decir 77,36 K (o lo que es lo mismo -195,79 °C) se alcanza sumergiendo a una muestra en nitrógeno líquido. El uso de helio líquido en lugar de nitrógeno permite alcanzar la temperatura de ebullición de éste, que es de 4,22 K (-268,93 °C). La criogenia es ampliamente utilizada en tecnologías que dependen de la superconductividad, pues todos los superconductores conocidos lo son sólo a bajas temperaturas (la temperatura crítica superconductora más alta registrada hasta la fecha, a presión ambiente, está en torno a los 135 K, pero generalmente son mucho más bajas). Por ejemplo, los aparatos de resonancia magnética nuclear utilizados en medicina dependen de técnicas criogénicas para mantener la temperatura de los imanes superconductores que albergan. Mediante el uso de técnicas más avanzadas es posible alcanzar temperaturas aún más cercanas al cero absoluto (del orden de la milésima de kelvin): refrigeradores de dilución y desmagnetización adiabática. Tales técnicas tienen su principal aplicación en el campo de la investigación, pues a temperaturas suficientemente bajas los efectos de la mecánica cuántica se hacen notar en cuerpos macroscópicos. También brinda esperanzas a personas que se sabe están próximas a morir y desean ser sometidas a la criogenia con el fin de dar el tiempo necesario al campo de la medicina para que encuentre la solución por la cual tomaron la decisión de congelarse. Sin embargo con la implementación que lleva en la actualidad el criogenizarse, es muy difícil que funcione el método debido a los riesgos que se presentan, ya que el cuerpo humano esta constituido en su mayoría de agua y esta al congelarse tiende a formar cristales los cuales perforan las células y crean un gran problema al momento de que se lleva a cabo el proceso de descongelación, esto aunado a que si funciona el método, la persona puede ser sometida a una gran carga emocional por adaptarse a su nuevo ambiente y superar la idea de que toda la gente que conoce y quiere probablemente haya muerto.
REFRIGERACIÓN TERMOELÉCTRICA
La refrigeración termoeléctrica utiliza el efecto Peltier para crear un flujo térmico a través de la unión de dos materiales diferentes, como metales o semiconductores tipo P y N. Un refrigerador o calentador Peltier o una bomba de calor termoeléctrica es una bomba de calor activa en estado sólido que transfiere calor de un lado del dispositivo a otro oponiéndose al gradiente de temperatura, consumiendo para ello energía eléctrica. Un instrumento de este tipo también es conocido como dispositivo Peltier, diodo Peltier, bomba de calor Peltier, refrigerador de estado sólido o refrigerador termoeléctrico. Ya que el calentamiento se puede conseguir de manera más fácil y económica por otros muchos métodos, los dispositivos Peltier se usan principalmente para refrigeración. En cualquier caso, cuando se debe usar un único dispositivo tanto para enfriar como para calentar, puede ser aconsejable el uso de un dispositivo Peltier. Simplemente conectándolo con una fuente de tensión continua causa el enfriamiento de una de las partes, mientras que la otra se calienta. La efectividad de la bomba para mover el calor lejos del lado frío es totalmente dependiente de la cantidad de corriente proporcionada y de cómo se extraiga el calor de la otra parte, para lo que se pueden usar disipadores. Los dispositivos Peltier pueden usarse como generador eléctrico si se logra mantener una diferencia de temperatura entre ambos lados. Rendimiento
Las uniones termoeléctricas rondan generalmente el 5-10% de la eficiencia de un refrigerador ideal, comparado con el 40-50% conseguido por los sistemas convencionales de ciclo de compresión. Dada su relativa poca eficiencia, la refrigeración termoeléctrica suele utilizarse sólo en entornos en los que importa más la naturaleza de estado sólido (sin partes móviles) que la eficiencia. El rendimiento del refrigerador termoeléctrico de Peltier es función de la temperatura ambiente, la eficiencia de los intercambiadores de calor de las partes fría y caliente, la carga térmica, la geometría del módulo Peltier y sus parámetros eléctricos. En cualquier caso, desarrollos recientes demuestran que los módulos de efecto Peltier podrían pronto superar a los motores de combustión interna tanto en eficiencia como en densidad de potencia para generadores basados en combustible. Aplicaciones
Actualmente su uso más común es como pieza refrigeradora de las CPU´s en un ordenador.
EFECTO TERMOELÉCTRICO
Los refrigeradores termoeléctricos se basan en el efecto termoeléctrico. Cuando se hace circular una corriente a través de un dispositivo termoeléctrico convenientemente configurado, el calor es transportado de un lado del dispositivo al contrario. EFECTO MAGNETO-CALÓRICO.
Se conoce como efecto magneto-calórico a la propiedad de algunos materiales para modificar su temperatura cuando son colocados en un campo magnético. La tecnología del efecto magneto-calórico aplicada a la generación de frío está aún en su fase de experimentación, pero se prevé que se generalice en futuro debido a sus grandes ventajas frente al ciclo tradicional de compresión y expansión de un gas de forma cíclica. Los refrigeradores magnéticos son ecológicos, silenciosos y de menor consumo energético que los modelos actuales. Los sistemas de refrigeración aprovechan el cambio en la entropía de un material debido a la variación de parámetros externos, como la presión o la magnetización, para producir frío. Estos fenómenos son conocidos como efecto elastocalórico (ECE) y efecto magnetocalórico (MCE), respectivamente. Los sistemas convencionales transfieren calor debido al cambio en la presión ejercida sobre un material en un proceso donde la intensidad magnética permanece constante (un campo magnético nulo es un caso particular). Los sistemas de refrigeración magnética emplean un principio inverso. En estos
sistemas, la transferencia de calor se produce cuando cambia el campo magnético aplicado sobre el material, en un proceso en el que la presión permanece constante [Hoyos, 2004]. Durante un proceso adiabático podrían cambiar simultáneamente la presión y el campo magnético externo, produciendo el efecto magneto-elastocalórico (MECE). Actualmente no existen estudios sobre éste fenómeno y en las aplicaciones de la refrigeración magnética lo común es evitar al máximo los cambios de presión para despreciar el ECE y utilizar sólo el MCE [Tishin, 2000]. Cuando se aplica un campo magnético externo a un material ferromagnético, a una temperatura cercana a su temperatura de transformación de fase magnética (temperatura de Curie), los momentos magnéticos de los electrones desapareados del nivel 3d (para hierro, níquel y cobalto) o del nivel 4f (para los lantánidos) se alinean paralelos a la dirección de la inducción del campo magnético aplicado. Esta alineación disminuye la entropía del material. Cuando se retira el campo magnético aplicado, los momentos magnéticos de los electrones se orientan libremente aumentando la entropía. La magnetización y desmagnetización del material ferromagnético, a temperaturas cercanas a la temperatura de transformación magnética, favorecen el carácter reversible del proceso debido a los continuos cambios en el orden magnético. El MCE se manifiesta en dos formas. Cuando el cambio en el campo magnético se produce en un proceso adiabático aparece como un cambio de temperatura isoentrópico, de lo contrario (si no es adiabático) se manifiesta como un cambio de entropía isotérmico. Existen dos tipos de MCE en los materiales ferromagnéticos, el MCE convencional y el MCE gigante En el MCE convencional, la aplicación de un campo magnético externo en un proceso adiabático disminuye la entropía magnética. Como el proceso es adiabático aumenta la entropía de retícula, la cual está asociada a la distribución espacial de los átomos en la red cristalina (retícula), para mantener la entropía del sistema constante. El aumento de la entropía de retícula aumenta la temperatura del material (proceso 1-2 de la figura 1). Cuando el material magnético intercambia calor con un medio externo, durante la aplicación o remoción del campo magnético externo, la temperatura permanece constante mientras la entropía cambia (proceso 1-3 de la figura 1). La principal característica de las transformaciones de primer orden es la discontinuidad en la entropía (Figura 2). Para cada curva isomagnética de la entropía en función de la temperatura, existe una temperatura a la cual se
produce un cambio abrupto en la entropía. La combinación de esta discontinuidad con el cambio en la magnitud de la intensidad del campo magnético produce un mayor cambio de entropía magnética que el observado en las de segundo orden. El cambio de entropía magnética para las transformaciones magnéticas de primer orden, durante la magnetización y desmagnetización, se calculan, respectivamente, de las ecuaciones 1 y 2. En ellas, se tiene la siguiente nomenclatura. Con una intensidad del campo magnético Hi la temperatura de transformación magnética de primer orden es TP,Hi, la entalpía de transformación es _EHi y la magnitud en la discontinuidad de la entropía es igual a la relación entre la entalpía y la temperatura de transformación. T1 es la temperatura de referencia para el nivel de entropía cero. A diferencia de las transformaciones de primer orden, en las de segundo orden la entalpía de transformación es nula y no existe diferencia en el comportamiento de la capacidad de calor, antes y después de la transformación, porque no se presentan transformaciones magnéticas que involucren cambios en la estructura cristalina, como ocurre en las transformaciones de primer orden. La diferencia entre estas transformaciones magnéticas es similar a la diferencia entre el enfriamiento a temperatura constante por evaporación de liquido y el enfriamiento por la simple expansión del gas. La transformación magnética de primer orden y la evaporación del líquido utilizan la entalpía de transformación para incrementar su entropía en un proceso isotérmico, mientras que la transformación de segundo orden y la expansión del gas
