¿Qué son los superfluidos? - Aprende las caracteristicas de los fluidos perfectos

Qué son los superfluidos

A través de un estudio llamado hidrodinámica cuántica, Piotr Kapitsa, Don Misener y John F. Allen descubrieron el superfluido en 1937. Este se da a nivel microscópico desde lo cuántico. Es un estado de la materia. Sucede cuando un líquido pierde su densidad y se produce un efecto de resistencia. De esta forma, cuenta con la capacidad de trasladar el calor a través de capilares delgados.

Índice()
  1. ¿Qué significa el término superfluido?
  2. ¿Cuáles son las características de los superfluidos?
  3. ¿Cuáles son los tipos de fluidos perfectos?
    1. ¿Qué son los fluidos perfectos?
    2. ¿Qué son los fluidos imperfectos?
  4. ¿Cómo se produce un superfluido?
  5. ¿Es lo mismo los superfluidos y el plasma?
  6. Ejemplos de superfluidos o fluidos perfectos

¿Qué significa el término superfluido?

La superfluidez es una cualidad que se destaca porque los fluidos presentan niveles de viscosidad y son lo opuesto a cuando se mueven por fricción interna. Es decir, el cuerpo o sustancia tiene la posibilidad de moverse sin perder energía cinética.

Es un fenómeno que presenta al helio líquido en sus variedades y que se descubrió 30 años después de la superconductividad. Además, tiene la habilidad de pasar por las paredes de una película.

Se logra desde el instante en el que el líquido se enfría a temperaturas que se aproximan a cero absoluto. Es una manifestación física que llega al límite del proceso hasta el punto perfecto de frenar la actividad que esté en desarrollo y congelar a alta temperatura.

Pero se da una excepción: el Helio, que es un elemento profundo en estructura e inerte, da movimientos interesantes y deriva de las reacciones nucleares que se suscitan al interior de las estrellas.

De este se registran dos isótopos estables, el Helio-3 y Helio-4, que también, arrastrados por el viento solar, se hallan sobre la superficie de la Luna. Cuando se habla de isótopos, son la variedad de un componente que se distingue por el número de neutrones y protones dentro de su núcleo. Es el segundo elemento más liviano e interactúa poco, además que constituye más del 20 % de la masa del universo.

Estos dos isótopos del Helio 3 y 4 poseen dos electrones y se diferencian por el valor numérico que compone al núcleo. El 4 cuenta con dos neutrones y el 3 solo con uno, siendo este el más liviano.

Ambos átomos funcionan en el estudio de los efectos que producen los recuentos cuánticos de la estadística de Fermi-Dirac sobre las porciones de espín semi entero, y la de Bose-Einstein, que va seguida de los átomos de espín enteros.

Para entender el comportamiento del Helio, en necesario el análisis con base en la mecánica cuántica de las partículas que lo componen. Estas en conclusión están relacionadas con la Física que proporciona el marco teórico para entenderlos.

Cuando se trata de su creación, el gas helio se somete a enfriamiento a unos grados por encima del cero. Esto lo comprime y a su vez lo libera por medio de una boquilla. A medida que se dilata se enfría de forma rápida.

Como fluido posee algunas propiedades físicas a saber:

  • Viscosidad: Es la fuerza o rechazo que manifiestan los elementos a las posibles alteraciones que obstaculizan el movimiento.
  • Densidad: Tomando en consideración el número de partículas que existen en un cuerpo de fluido, pueden presentar mayor o menor concentración.
  • Volumen: Es la dimensión que en una zona particular ocupa la sustancia. Se toma en cuenta la longitud, el ancho y la altura del mismo.
  • Presión: Es la potencia que la masa ejecuta sobre los cuerpos que se sumergen en él.
  • Tensión superficial: Es la fuerza necesaria requerida para intensificar el ámbito y espacio de un fluido, es decir, que se resiste a crecer su superficie.
  • Capilaridad: Esta es una fuerza de cohesión que hace que el líquido suba por un tubo capilar que va en contra de la gravedad.

Así mismo, existen tipos de fluidos de acuerdo a diversidad de criterios:

  • Ideales: Con densidad constante y viscosidad nula. Son irrotacionales y no se hacen torbellinos en el interior. También son estacionarios, lo que significa que todas las partículas que pasan por un punto poseen la misma velocidad.
  • Reales: En sus capas se dan rozamientos y esto genera viscosidad.

Desde otra perspectiva se dispone que los fluidos tienen la opción de ser newtonianos y no newtonianos basándonos en el patrón de viscosidad por el que se guíen:

  • Newtonianos: Cumplen la ley de Newton de la viscosidad.
  • No newtonianos: Su comportamiento es más profundo y de mayor análisis. Se clasifican en: con densidad independiente del período y con viscosidad dependiente del tiempo, lo que los hace aún más complejos.

¿Cuáles son las características de los superfluidos?

Estos cuentan con particularidades puntuales:

  • Capacidad de entrar en espacios diminutos y escalar sobre su propio nivel.
  • Falta de fricción, ya que no perciben resistencia.
  • Poseen propiedades como la superposición cuántica e interferencia.
  • Algunos tienen la capacidad de transportar electricidad sin obtener resistencia y sin perder energía.
  • Cuentan con una temperatura de transición.
  • En algunas ocasiones aparecen remolinos de vórtices que son persistentes y con la particularidad de moverse sin fricción.
  • Estos son diminutos y se entremezclan. Siguen sus leyes cuánticas propias y cuentan con dimensiones atómicas y maneras de girar como un tornado.
  • Tienen la capacidad de dividirse en dos partes pero sin separación física.
  • Pueden sobrepasar cualquier materia porosa.
  • Permanecen estáticos y estacionarios.
  • Tienen la capacidad de pasar por un objeto sólido o que tenga una superficie no porosa, gracias a su potente fuerza de oscilación que reafirma los basamentos de la Física Cuántica en contra de los de Albert Einstein.

¿Cuáles son los tipos de fluidos perfectos?

En líneas generales estos carecen de densidad, lo que significa que pueden fluir ante una fuerza sin presentar resistencia y existen dos tipos:

  • Incompresible: Cuando su volumen permanece de manera constante, sin importar la presión a la que se somete. Fluidos como líquidos, gases o aire se aproximan a este estado según sus condiciones y propiedades. Su resistencia a la compresión se determina por el valor volumétrico con la relación entre el cambio de presión y la variación de la densidad.
  • Ideal: Son los carentes de viscosidad, lo que significa que son los que no esparcen energía caliente cuando fluyen. Ellos no experimentan rotación ni resistencia interna al flujo. Además, no se mueven alrededor de su centro de masa, sino que pueden desplazarse en un patrón circular.

¿Qué son los fluidos perfectos?

Son parte de la mecánica que detalla cómo se comporta de manera ideal y simple desde lo matemático. No poseen imperfecciones, carecen de densidad y no presentan turbulencias ni pérdidas de energía. En estos, la velocidad se guía por las leyes de Bernoulli, que son principios físicos que dan una explicación de cómo se mueve un gas o líquido con relación a la aceleración de movimiento. También se guían por la ecuación de Navier-Stokes de derivadas parciales, que describe el contacto que existe entre la rapidez y la presión, la fuerza y la fricción interna.

¿Qué son los fluidos imperfectos?

Son los que se conocen también como no newtonianos. La viscosidad no es constante y varían de acuerdo a las condiciones de la deformación. Es difícil describir su comportamiento con facilidad tomando como base la ley de viscosidad de Newton, en la que se establece que la fuerza de quiebre es proporcional a la rapidez de alteración. En ellos la densidad no es constante y varía de acuerdo a las condiciones de deformación. Pueden mostrar propiedades no lineales tal como la dilatancia o la pseudo plástico.

¿Cómo se produce un superfluido?

Se origina cuando una materia se enfría a una temperatura muy baja y ocasiona cambios en su actividad molecular. El átomo o los átomos se condensan en una energía mínima y se mueven de forma sincronizada y esto hace que el fluido muestre propiedades individuales. El primer superfluido que se descubrió fue el helio líquido, y a partir de allí se han encontrado otros materiales que pueden actuar de igual forma como los gases nobles.

¿Es lo mismo los superfluidos y el plasma?

Son estados diferentes de la materia. El primero es un cuerpo que al enfriarse pierde su densidad y fluye sin resistencia, además que tiene la capacidad de moverse a través de orificios sin fricción. Mientras que el plasma, se define como el estado en el cual los átomos se ionizan y sin electrones.

La materia en el planeta tierra está cargada de partículas que gravitan en torno al núcleo del átomo. Estos poseen un peso negativo que los atrae hacia la carga positiva, y esto causa el efecto de orbitar alrededor de ese centro.

Al momento de que los electrones ya no se encuentran atrapados en torno al núcleo, se produce el estado de plasma, y el efecto ocasiona que un gas se transforme en muchos electrones y los iones estén cargados de forma positiva. Por su parte, el superfluido, que también se le llama condensado de Bose-Einsteines, se caracteriza por la falta total de viscosidad, de forma que en un circuito cerrado, fluye sin fricción.

Ejemplos de superfluidos o fluidos perfectos

Algunos ejemplos son:

  • Helio-3 superfluido a temperaturas en extremo bajas.
  • Helio-4 con grados cercanos al cero absoluto.
  • Hidrógeno líquido de igual manera a temperaturas reducidas.
  • Un gas cuántico, también conocido como condensado de Bose-Einstein, que puede conducir sin resistencia en la ausencia de impurezas.
  • En la cotidianidad los lubricantes de vehículos o el champú son superfluidos.
  • El helio a niveles muy bajos.
  • El agua a temperaturas mínimas.

A manera de conclusión, son un tipo de sustancia que posee propiedades únicas y su aplicación en la vida cotidiana es un poco limitada. Sin embargo, se implementa de forma importante en campos como la física, la tecnología, la investigación científica en general y la medicina. Su estudio puede llevar a avances destacados en el desarrollo de nuevas tecnologías y en la investigación científica para el progreso de la humanidad.

Cómo citar:
"¿Qué son los superfluidos? - Aprende las caracteristicas de los fluidos perfectos". En Quees.com. Disponible en: https://quees.com/superfluidos/. Consultado: 17-04-2024 18:38:19
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