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Convección de Rayleigh Bénard

Publicado por Jordi Fernández Vela

La diferencia principal entre un fluido y un sólido es que las partículas de aquél se pueden mover unas respecto de las otras. De esta manera, cuando aplicamos un gradiente de temperatura a un fluido, las partes más calientes pueden desplazarse, produciéndose una transferencia de calor por el propio transporte de la materia.

Si calentamos una capa de gas, por ejemplo el aire, por la parte inferior, éste se dilatará, y al disminuir su densidad será empujado hacia arriba por el empuje de Arquímedes, apareciendo una corriente ascensional, como bien saben los que practican ala delta o parapente. Por otro lado, el aire más frío de las capas superiores tenderá a descender, ocupando el espacio dejado por el gas más caliente.

Imaginemos ahora que el aire no fuera invisible, sino que pudiera verse. Si pudiéramos apreciar las corrientes convectivas que así aparecen, ¿qué aspecto tendrían?

La respuesta no es simple, y depende tanto de las diferencias de temperatura que se apliquen a la capa de fluido, como del recipiente donde se encuentre confinado.

El caso más simple es el de un fluido que no presente superficies libres. En este caso, la tensión superficial no afectará al comportamiento del fluido (porque no tiene ninguna superficie libre), y el aspecto de las corrientes convectivas será similar a rollos. Es la llamada convección de Rayleigh-Bénard, en honor de Henri Bénard, quién fue el primero en observarla experimentalmente, y John Strutt, tercer barón Rayleigh, que la describió teóricamente.

La cosa se complica cuando una de las superficies del fluido está libre (normalmente, por razones obvias, las superior). En este caso, a los efectos de la gravedad y la fuerza de empuje, hay que sumarle los producidos por la tensión superficial, que acostumbra a variar con la temperatura del fluido. Los movimientos superficiales del fluido de las zonas de tensión superficial menor a las zonas de tensión superficial mayor destruyen las estructuras en forma de rollos, y aparecen otros tipos de estructuras, normalmente hexágonos. Este tipo de convección se denomina de Bénard-Marangoni.

Pero no son estos los únicos patrones que pueden aparecer en la convección. Dependiendo del tipo de líquido, de las condiciones de contorno o de la diferencia de temperaturas, pueden aparecer cuadrados, rollos, hexágonos, y hasta estructuras pulsantes. Incluso, usando líquidos adecuados, puede aparecer la convección al calentarlos ¡por arriba!

Las estructuras convectivas acostumbran a ser inestables, y cualquier perturbación las hace desaparecer (aunque luego puedan volver a formarse), o cambiar de un tipo a otro. Es lo que se llama la segunda inestabilidad.

Podemos incluso observar la convección en nuestra casa. La próxima vez que vayáis a cocinar un huevo frito, cuando el aceite de la sartén empiece a calentarse, si os fijáis bien en las pequeñas burbujas que acostumbran a aparecer, veréis que se disponen en un dibujo similar a un panal de abejas. Y si sois muy observadores, podréis comprobar que suben por los bordes de los hexágonos, y bajan por el centro. Estaréis delante de la convección de Bénard-Marangoni.

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