alt=|miniaturadeimagen|Diagrama de fuga térmica La fuga térmica o embalamiento térmico ocurre en situaciones en las que un aumento de la temperatura cambia las condiciones de una manera que causa un aumento adicional de la temperatura, lo que a menudo conduce a un resultado destructivo. Es un tipo de retroalimentación positiva no controlada.
En otras palabras, el "embalamiento térmico" describe un proceso que se acelera al aumentar la temperatura, liberando a su vez energía que aumenta aún más la temperatura. En química (e ingeniería química), se asocia con reacciones fuertemente exotérmicas que se aceleran por el aumento de la temperatura. En ingeniería eléctrica, el escape térmico se asocia típicamente con un aumento del flujo de corriente y la disipación de energía, aunque las reacciones químicas exotérmicas también pueden ser de interés aquí. La fuga térmica puede ocurrir en la ingeniería civil, especialmente cuando no se controla el calor liberado por grandes cantidades de concreto de curado.(cita requerida) En astrofísica, las reacciones de fusión nuclear descontroladas en las estrellas pueden llevar a explosiones de nova y varios tipos de supernovas, y también ocurren como un evento menos dramático en la evolución normal de las estrellas de masa solar, el "flash de helio".
También existe la preocupación con respecto al calentamiento global de que un aumento promedio mundial de 3 a 4 grados Celsius por encima de la línea de base preindustrial podría llevar a un aumento adicional no controlado de las temperaturas de la superficie. Por ejemplo, las emisiones de metano, un gas de efecto invernadero más potente que el CO2, de los humedales, el permafrost de fusión y los depósitos de clatrato del lecho marino en el margen continental podrían estar sujetos a comentarios positivos.IMPACTOS: En el Umbral de Cambios de Clima Repentino, Lawrence Berkeley Laboratorio Nacional Centro Noticioso, 17 septiembre 2008
Ingeniería química La fuga térmica también se conoce como explosión térmica en ingeniería química o reacción fugitiva en química orgánica. Es un proceso mediante el cual una reacción exotérmica se sale de control: la velocidad de reacción aumenta debido a un aumento de la temperatura, lo que provoca un aumento adicional de la temperatura y, por lo tanto, un aumento rápido adicional de la velocidad de reacción. Esto ha contribuido a los accidentes químicos industriales, especialmente el desastre de Texas City en 1947 por el sobrecalentamiento del nitrato de amonio en la bodega de un barco y la explosión de zoaleno en 1976, en un lugar más seco, en King's Lynn. La teoría de Frank-Kamenetskii proporciona un modelo analítico simplificado para la explosión térmica. La ramificación de la cadena es un mecanismo de retroalimentación positiva adicional que también puede hacer que la temperatura se dispare debido al rápido aumento de la velocidad de reacción.
Las reacciones químicas son endotérmicas o exotérmicas, como lo expresa su cambio en la entalpía. Muchas reacciones son altamente exotérmicas, por lo que muchos procesos a escala industrial y de refinería de petróleo tienen algún nivel de riesgo de fuga térmica. Estos incluyen hidrocraqueo, hidrogenación, alquilación (SN2), oxidación, metalación y sustitución aromática nucleófila. Por ejemplo, la oxidación de ciclohexano en ciclohexanol y ciclohexanona y ortoxileno en anhídrido ftálico ha dado lugar a explosiones catastróficas cuando el control de la reacción falló.
La fuga térmica puede ser el resultado de reacciones secundarias exotérmicas indeseadas que comienzan a temperaturas más altas, luego de un sobrecalentamiento accidental inicial de la mezcla de reacción. Este escenario se produjo tras el desastre de Seveso, donde el escape térmico calentó una reacción a temperaturas tales que, además del 2,4,5-triclorofenol deseado, también se produjo 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina venenosa, y fue ventilado en el medio ambiente después de la ruptura del disco de ruptura del reactor
La fuga térmica es a menudo causada por la falla del sistema de enfriamiento del recipiente del reactor. La falla de la mezcladora puede resultar en un calentamiento localizado, lo que inicia el escape térmico. De manera similar, en los reactores de flujo, la mezcla insuficiente localizada hace que se formen puntos calientes, en donde ocurren condiciones de fuga térmica, lo que causa explosiones violentas de los contenidos del reactor y catalizadores. La instalación incorrecta de componentes del equipo también es una causa común. Muchas instalaciones de producción de productos químicos están diseñadas con ventilación de emergencia de alto volumen, una medida para limitar el alcance de las lesiones y los daños a la propiedad cuando ocurren tales accidentes.
A gran escala, no es seguro "cargar todos los reactivos y mezclar", como se hace a escala de laboratorio. Esto se debe a que la cantidad de reacción se escala con el cubo del tamaño del recipiente (V ∝ r³), pero el área de transferencia de calor se escala con el cuadrado del tamaño (A ∝ r²), de modo que la producción de calor al área relación de escala con el tamaño (V / A ∝ r). En consecuencia, las reacciones que fácilmente se enfrían lo suficientemente rápido en el laboratorio pueden autocalentarse peligrosamente a escala de tonelada. En 2007, este tipo de procedimiento erróneo causó una explosión de un reactor de 2,400 galones (9,100 L) de EE. UU. Usado para metalate metilciclopentadieno con sodio metálico, causando la pérdida de cuatro vidas y partes del reactor lanzadas a una distancia de 400 metros (400 m). Por lo tanto, las reacciones a escala industrial propensas a la fuga térmica se controlan preferiblemente mediante la adición de un reactivo a una velocidad correspondiente a la capacidad de enfriamiento disponible
Algunas reacciones de laboratorio deben realizarse con enfriamiento extremo, ya que son muy propensas a fugas térmicas peligrosas. Por ejemplo, en la oxidación de Swern, la formación de cloruro de sulfonio debe realizarse en un sistema enfriado (–30 °C), ya que a temperatura ambiente, la reacción experimenta fugas térmicas explosivas..
El Foro de Riesgos de Reacción Química del Reino Unido publica análisis de accidentes químicos no informados previamente para ayudar a la educación de la comunidad científica y de ingeniería, con el objetivo de prevenir que ocurran situaciones similares en otros lugares. Casi 150 de estos informes están disponibles para ver a partir de enero de 2009.
Calentamiento por microondas Las microondas se utilizan para calentar diversos materiales en la cocina y diversos procesos industriales. La velocidad de calentamiento del material depende de la absorción de energía, que depende de la constante dieléctrica del material. La dependencia de la constante dieléctrica de la temperatura varía para diferentes materiales; Algunos materiales muestran un aumento significativo con el aumento de la temperatura. Este comportamiento, cuando el material se expone a las microondas, conduce a un sobrecalentamiento local selectivo, ya que las áreas más cálidas pueden aceptar más energía que las áreas más frías, potencialmente peligrosas, especialmente para los aislantes térmicos, donde el intercambio de calor entre los puntos calientes y El resto del material es lento. Estos materiales son llamados materiales térmicos fuera de control. Este fenómeno se produce en algunas cerámicas.
Ingeniería eléctrica Algunos componentes electrónicos desarrollan resistencias más bajas o voltajes de activación más bajos (para resistencias no lineales) a medida que aumenta su temperatura interna. Si las condiciones del circuito provocan un flujo de corriente notablemente mayor en estas situaciones, el aumento de la disipación de potencia puede aumentar la temperatura aún más por el calentamiento de Joule. Un círculo vicioso o un efecto de retroalimentación positiva del escape térmico puede causar fallas, a veces de manera espectacular (por ejemplo, una explosión eléctrica o un incendio). Para evitar estos peligros, los sistemas electrónicos bien diseñados suelen incorporar protección de limitación de corriente, como fusibles térmicos, disyuntores o limitadores de corriente PTC.
Para manejar corrientes más grandes, los diseñadores de circuitos pueden conectar múltiples dispositivos de menor capacidad (por ejemplo, transistores, diodos o MOV) en paralelo. Esta técnica puede funcionar bien, pero es susceptible a un fenómeno llamado acaparamiento de corriente, en el cual la corriente no se comparte de manera equitativa en todos los dispositivos. Por lo general, un dispositivo puede tener una resistencia ligeramente inferior y, por lo tanto, consume más corriente, calentándola más que sus dispositivos hermanos, lo que hace que su resistencia disminuya aún más. La carga eléctrica termina canalizándose en un solo dispositivo, que luego falla rápidamente. Por lo tanto, una serie de dispositivos puede no ser más robusta que su componente más débil.
El efecto de acaparamiento de la corriente se puede reducir al combinar cuidadosamente las características de cada dispositivo en paralelo, o al utilizar otras técnicas de diseño para equilibrar la carga eléctrica. Sin embargo, mantener el equilibrio de la carga en condiciones extremas puede no ser sencillo. Los dispositivos con un coeficiente de temperatura positivo (PTC) intrínseco de resistencia eléctrica son menos propensos a la acumulación de corriente, pero aun así puede ocurrir un desbordamiento térmico debido a un pobre hundimiento de calor u otros problemas.
Muchos circuitos electrónicos contienen disposiciones especiales para evitar el desbordamiento térmico. Esto se observa con mayor frecuencia en las disposiciones de polarización de transistores para etapas de salida de alta potencia. Sin embargo, cuando el equipo se utiliza por encima de su temperatura ambiente diseñada, en algunos casos puede ocurrir un desbordamiento térmico. Esto puede ocasionar fallas en el equipo en ambientes calurosos o cuando se bloquean las salidas de aire.
Semiconductores El silicio muestra un perfil peculiar, ya que su resistencia eléctrica aumenta con la temperatura hasta aproximadamente 160 °C, luego comienza a disminuir y disminuye aún más cuando se alcanza el punto de fusión. Esto puede llevar a fenómenos térmicos fuera de control dentro de las regiones internas de la unión semiconductora; la resistencia disminuye en las regiones que se calientan por encima de este umbral, lo que permite que fluya más corriente a través de las regiones sobrecalentadas, lo que a su vez provoca un calentamiento aún mayor en comparación con las regiones circundantes, lo que conduce a un mayor aumento de la temperatura y una disminución de la resistencia. Esto conduce al fenómeno de la saturación de corriente y la formación de filamentos de corriente (similar a la acumulación de corriente, pero dentro de un solo dispositivo), y es una de las causas subyacentes de muchas fallas en la unión de semiconductores.
Transistores de unión bipolar (BJTs)