O intercambio contracorrente e o equicorrente son mecanismos de transferencia dalgunha propiedade (calor, materia, concentración etc.) dun fluido a outro por medio dunha membrana semipermeable ou un material condutor, sendo o primeiro un concepto clave en enxeñaría química, termodinámica entre outros; por exemplo, para a extracción da sacarosa da remolacha ou a purificación do cloruro de sodio. Tamén actúan moitos sistemas contracorrente na fisioloxía dos seres vivos.
Contracorrente e equicorrente O diagrama presentado é útil para comprender a diferenza entre estes dous tipos de intercambio, o cal representa dúas correntes de fluído que viaxan paralelamente separadas por unha membrana semipermeable ou termocondutora. A cor azul representa o valor máis baixo da característica que se vai intercambiar, mentres que a cor vermella indica o valor máis alto, de modo que a dirección da transferencia será do fluído con maior valor ao de menor valor. No caso específico da calor, o movemento segue a segunda lei da termodinámica e no caso de sólidos como solutos segue o fenómeno de osmose.
Intercambio en equicorrente e contracorrente.
Fluxo directo Neste sistema os dous fluídos van na mesma dirección e o seu gradiente varía ao longo da ruta de fluxo. Tendo en conta que o fluído presente nos dous tubos é o mesmo, este método de intercambio soamente ten capacidade de intercambiar a metade da propiedade (calor, materia, concentración etc.) entre fluídos, sen importar o longa que poida ser a ruta de fluxo. Se algunha das dúas correntes cambia a súa propiedade nun 50 % ou máis, o intercambio será interrompido, xa que o gradiente se reduce a cero, o que indica que se atinxiu o punto de equilibrio. En caso de ter fluxos desiguais, as condicións de equilibrio van estar un pouco máis próximas ás condicións da corrente que teña o maior fluxo.
Fluxo contracorriente A diferenza da equicorriente, aquí os dous fluídos móvense en sentidos opostos, o que permite que o sistema poida manter un gradiente case constante entre eles ao longo da ruta de movemento. A medida que a ruta de fluxo sexa máis longa e que a velocidade do movemento dos fluídos sexa máis lenta, a taxa de transferencia será menor; porén, isto débese a que os dous fluídos son "iguais" nalgún sentido. Por exemplo, se temos en conta a transferencia de masa dunha certa cantidade de soluto por unha cantidade determinada (en volume ou masa) de solvente, a velocidade da disolución debe ser a mesma nas dúas correntes. No caso de transferencia de calor, o produto da calor específica (a media no rango de temperatura implicado) e o fluxo de masa tamén deben ser iguais. Se os dous fluídos non son os mesmos, por exemplo se a calor está transferíndose da auga ao aire ou viceversa, entón a conservación da masa ou enerxía require que as correntes vaian con concentracións ou temperaturas diferentes ás indicadas na figura.
Casos Existe un equilibrio térmico como resultado do intercambio de calor, onde o fluído quente cede calor incrementando a temperatura do fluido frío e este absorbe calor arrefriando o fluído quente. Ambos os dous terminan atinxindo aproximadamente a mesma temperatura, que sería unha media entre as dúas temperaturas orixinais. Ao inicio da ruta de intercambio existe unha gran diferenza de temperatura e unha considerable transferencia de calor, mentres que ao final hai unha pequena diferenza de temperatura e pouca transferencia de calor. No intercambio de calor por contracorrente, o fluído quente arrefría mentres que o fluído frío se quenta. No extremo de calor temos un fluído quente entrando que cede enerxía aos fluídos de temperatura temperada, quentándoos a través da lonxitude de intercambio. Debido a que o extremo quente (ou de calor) atópase na súa máxima temperatura pode quentar o fluído saínte próximo á súa propia temperatura. En contraste, no extremo frío o fluído entrante segue estando a baixa temperatura, polo que pode extraer a calor restante do fluído quente que procede da corrente contraria, arrefriándoo a un punto próximo ao do fluído entrante no extremo frío.
Intercambio contracorrente en sistemas biolóxicos miniatura|Rete mirabile = RM. O intercambio contracorrente é amplamente usado en sistemas biolóxicos, para unha gran variedade de propósitos. Un claro exemplo son os peixes, que usan este sistema nas súas branquias para transferiren o oxíxeno da auga que rodea os seus vasos sanguíneos branquiais. Outro exemplo son as aves que usan a contracorriente para o intercambio de calor entre os vasos sanguíneos das súas patas para manter concentrada a calor dentro dos seus corpos; en bioloxía isto coñécese como a rete mirabile. Un último exemplo é o ril dos mamíferos, o cal usa este tipo de intercambio para eliminar auga dos ouriños de tal xeito que o corpo pode reter a auga utilizada para transportar os residuos nitroxenados (ver multiplicador contracorrente).
Intercambio de calor contracorrente en organismos O intercambio de calor contracorrente é unha maneira altamente eficiente de minimizar a perda de calor pola pel, debido a que esta se recicla en lugar de se disipar. Deste xeito, o corazón non ten que bombear sangue tan rápido para manter unha temperatura corporal e unha taxa metabólica constante.
Cando animais como as tartarugas mariñas Dermochelys coriacea e os golfiños se atopan en augas moi frías ás que non están aclimatados, usan o mecanismo de intercambio de calor contracorrente. Este sistema consta dunha complexa rede de veas periarteriais (plexo), que parten do corazón pasando a través dunha delgada capa de tecido graxo cara a sitios periféricos, é dicir, as aletas caudal, dorsais e pectorais. Cada plexo consiste nunha arteria que contén sangue cálido procedente do corazón, rodeada por un paquete de veas que transportan sangue frío da superficie corporal. Como estes líquidos flúen un ao lado do outro, crean un gradiente térmico no que hai transferencia de calor, de maneira que o sangue arterial cálido transfire a súa calor ao sangue venoso frío, conseguindo que se conserve a temperatura ao facer que recircule no corpo. Dado que as arterias doan unha boa parte da súa calor neste proceso, esta pérdese por efecto da convección na superficie.
Outro exemplo biolóxico son as patas do raposo polar (Alopex lagopus) mentres pisan a neve. As patas na rexión do pé están necesariamente frías, mais o sangue circula transportando nutrientes aos músculos do membro sen perder moita calor corporal. A proximidade entre veas e arterias resulta nun intercambio de calor, pois o sangue flúe cara abaixo, vaise arrefriando cada vez máis e non perde moita calor en contacto coa neve. Cando o sangue vai de volta polas veas, este recolle calor do sangue que flúe en dirección oposta polas arterias de maneira que volve ao torso nun estado tépedo ou de temperatura media respecto á do corpo, permitíndolle ao animal manter un estado confortable de temperatura.
Intercambio contracorriente en aves mariñas para destilar a auga de mar Para poderen controlar o balance osmótico no seu organismo, as aves mariñas deben quitar o sal da auga de mar que beben. En caso de que os riles foran os únicos que retirasen o exceso deste mineral, estes animais necesitarían unha cantidade aínda maior de auga doce para eliminar o sal acumulado. Tendo en conta que a auga doce non está dispoñible no seu ambiente, as aves mariñas (pelicanos, pardelas, albatros, gaivotas, entre outras) posúen unhas glándulas especiais, chamadas glándulas do sal, que segregan sal, as cales son as que fan o intercambio por contracorrente. Diminutas arterias que cargan o sangue "salgado" chegan ás glándulas, as cales posúen uns túbulos que se encontran xustapostos ás arterias entrantes. Isto permite que o sal quede nas glándulas, de maneira que o líquido saínte que está presente nas vénulas ten unha concentración salina menor que a do líquido entrante presente nas arterias, e finalmente o líquido salino recollido é periodicamente expulsado polas fosas nasais. Estas glándulas son moi eficientes de maneira que as aves poden beber auga mariña mentres se atopan a centos de quilómetros da costa.
Sistema multiplicador contracorrente nos riles miniatura|250 px|Diagrama dunha asa ou bucle de multiplicación contracorrente. No exemplo a auga entra a unha conentración de 299 mg/L (NaCl/H2O), chega no extremo curvo da asa a 1199 mg/L, e sae finalmente polo tubo de saída a 100 mg/L. A asa está rodeada dun líquido tampón. No tubo de entrada hai saída por osmose de auga e no de saída hai bombeo de NaCl por transporte activo. Un bucle ou asa de multiplicación contracorrente é un sistema onde o fuído flúe nun bucle ou asa de modo que a entrada e a saída se produzan a unha concentración baixa similar dunha substancia disolta, pero no extremo curvo da asa hai unha alta concentración desa substancia. Un líquido tampón entre os tubos de saída e entrada recibe a substancia concentrada. Os tubos de entrada e saída non se tocan.
O sistema permite a acumulación dunha alta concentración gradualmente, ao facilitar unha acumulación natural no extremo curvo do interior do tubo entrante, (por exemplo por medio da osmose a auga sae do tubo de entrada e entra no fluído tampón), e por medio do uso de moitas bombas de transporte activo, cada unha das cales bombea só contra un gradiente moi pequeno, durante o percorrido do tubo de saída da asa, facendo que a concentración dentro do tubo de saída tenda a volver á súa concentración orixinal. miniatura|Diagrama do funcionamento dun nefrón renal.
O fluxo entrante que empeza a baixas concentracións ten unha membrana semipermeable a través da que a auga pasa ao líquido tampón por osmose a un pequeno gradiente. Hai unha acumulación gradual de concentración dentro da asa ata o extremo curvo da asa, onde atinxe o seu máximo. Non é necesario o líquido tampón se o efecto desexado é que no tubo de saída saia unha alta concentración.
Un sistema multiplicador contracorrente utilízase nos riles para concentrar os ouriños. Un circuíto de fluídos nas asas de Henle dos riles permite un aumento gradual da concentración dos ouriños, usando transporte activo nos túbulos de saída dos nefróns renais. O transporte activo bombea só o que se necesita para superar un gradiente de concentración baixo e constante, debido ao mecanismo multiplicador contracorrente.Ver a animación do multiplicador contracorrente no sitio web da Universidade de Colorado.
Intercambio contracorrente na industria e investigación científica miniatura|240px|Hardendale Lime Works no Reino Unido, instalación que usa fornos contracorrente para alcanzar altas temperaturas. A cromatografía a contracorrente é un método de separación que está baseado na partición diferencial de analitos entre dous líquidos inmiscibles usando un fluxo contracorrente ou equicorrente. Evolucionou da distribución a contracorrente de Craig (CCD), pero o termo e abreviación máis usados son cromatografía a contracorrente (CCC), en especial cando se usan instrumentos CCC hidrodinámicos. O termo cromatografía de partición é en gran medida un sinónimo e usado predominantemente para os instrumentos CCC hidrostáticos. Destilación de compostos químicos como na refinación do petróleo feita en torres ou columnas con bandexas perforadas. O vapor das burbullas das fraccións en ebulición baixa ascende polos buracos das bandexas en contacto co fluxo descendente das fraccións en ebulición alta. A concentración da fracción en ebulición baixa increméntase en cada bandexa subindo pola torre a medida que os gases máis lixeiros son retirados ("stripped"). A fracción en ebulición baixa arrástrase fóra na parte superior da torre e a fracción en ebulición alta é arrastrada desde o fondo. O proceso nas bandexas é a combinación de transferencia de calor e a transferencia de masa. Subminístrase calor no fondo, coñecido como "reebulidor" (reboiler) e o arrefriado faise cun condensador na parte superior.