termodinamica de plasma

[jake]

Termodinámica de plasma
El plasma es un gas altamente ionizado que consiste de electrones e
iones positivos. Puesto que el plasma consta de partículas cargadas su
movimiento puede Controlarse por campos magnéticos. El estudio
termodinámico del plasma es una de las tres formas de estudiar el
plasma; tanto el enfoque riguroso del estudio Termodinámico, como las
otras dos formas (teoría orbital y formulación hidromagnética) están
más allá del alcance de este articulo. Dentro de los fines de estudiar
la termodinámica del plasma se encuentran, entre otros, obtener
energía útil de las reacciones de fusión termonucleares controladas,
producidas en el plasma; también se estudia la conductividad eléctrica
y sus aplicaciones técnicas.
En física y química, se denomina plasma a un gas constituido por
partículas cargadas de iones libres y cuya dinámica presenta efectos
colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas de largo
alcance entre las mismas. Con frecuencia se habla del plasma como un
estado de agregación de la materia con características propias,
diferenciándolo de este modo del estado gaseoso, en el que no existen
efectos colectivos importantes; es por eso también llamado el cuarto
estado de la materia. Los átomos de este estado se mueven libremente;
cuanto más alta es la temperatura más rápido se mueven los átomos en
el gas y en el momento de colisionar la velocidad es tan alta que se
produce un desprendimiento de electrones.
El plasma tiene la característica especial de que se puede manipular
muy fácilmente por campos magnéticos y además es conductor eléctrico.
Tras conocer los valores de los parámetros descritos en la sección
anterior, el estudioso de los plasmas deberá escoger el modelo más
apropiado para el fenómeno que le ocupe. Las diferencias entre
diferentes modelos residen en el detalle con el que describen un
sistema, de modo que se puede establecer así jerarquía en la que
descripciones de nivel superior se deducen de las inferiores tras
asumir que algunas de las variables se comportan de forma prescrita.
Estas asunciones o aproximaciones razonables no son estrictamente
ciertas pero permiten entender fenómenos que serían difíciles de
tratar en modelos más detallados.
Por supuesto, no todas las especies han de ser descritas de una misma
forma: por ejemplo, debido a que los iones son mucho más pesados que
los electrones, es frecuente analizar la dinámica de los últimos
tomando a los iones como inmóviles o estudiar los movimientos de los
iones suponiendo que los electrones reaccionan mucho más rápido y por
tanto están siempre en equilibrio termodinámico.
Puesto que las fuerzas electromagnéticas de largo alcance son
dominantes, todo modelo de plasma estará acoplado a las ecuaciones de
Maxwell, que determinan los campos electromagnéticos a partir de las
cargas y corrientes en el sistema.
Los modelos fundamentales más usados en la física del plasma, listados
en orden decreciente de detalle, es decir de microscópicos a
macroscópicos, son los modelos discretos, los modelos cinéticos
continuos y los modelos de fluidos o hidrodinámicos.
Modelos discretos
El máximo detalle en el modelado de un plasma consiste en describir la
dinámica de cada una de sus partículas según la segunda ley de Newton.
Para hacer esto con total exactitud en un sistema de N partículas
habría que calcular del orden de N2 interacciones. En la gran mayoría
de los casos, esto excede la capacidad de cálculo de los mejores
ordenadores actuales.
Sin embargo, gracias al carácter colectivo de los plasmas, reflejado
en la condición de plasma, es posible una simplificación que hace
mucho más manejable el cálculo. Esta simplificación es la que adoptan
los llamados modelos numéricos Particle-In-Cell (PIC; Partícula-En-
Celda): el espacio del sistema se divide en un número no muy grande de
pequeñas celdas. En cada instante de la evolución se cuenta el número
de partículas y la velocidad media en cada celda, con lo que se
obtienen densidades de carga y de corriente que, insertadas en las
ecuaciones de Maxwell permiten calcular los campos electromagnéticos.
Tras ello, se calcula la fuerza ejercida por estos campos sobre cada
partícula y se actualiza su posición, repitiendo este proceso tantas
veces como sea oportuno.
Los modelos PIC gozan de gran popularidad en el estudio de plasmas a
altas temperaturas, en los que la velocidad térmica es comparable al
resto de velocidades características del sistema.
Modelos cinéticos continuos
Cuando la densidad de partículas del plasma es suficientemente grande
es conveniente reducir la distribución de las mismas a una función de
distribución promediada. Esta representa la densidad de partículas
contenida en una región infinitesimal del espacio de fases, es decir
el espacio cuyas coordenadas son posiciones y cantidades de
movimiento. La ecuación que gobierna la evolución temporal de las
funciones de distribución es la ecuación de Boltzmann. En el caso
particular en el que las colisiones son despreciables la ecuación de
Boltzmann se reduce a la ecuación de Vlasove.
Los modelos físicos cinéticos suelen emplearse cuando la densidad
numérica de partículas es tan grande que un modelado discreto resulta
inabordable. Por otra parte, los modelos cinéticos constituyen la base
de los estudios analíticos sobre plasmas calientes.
Modelos de fluidos o hidrodinámicos
Para plasmas a bajas temperaturas, en los que estudiamos procesos
cuyas velocidades características son mucho mayores que la velocidad
térmica del plasma, podemos simplificar el modelo y asumir que todas
las partículas de una especie en un punto dado tienen igual velocidad
o que están suficientemente cerca del equilibrio como para suponer que
sus velocidades siguen la distribución de Maxwell-Boltzmann con una
velocidad media dependiente de la posición. Entonces se pueden derivar
unas ecuaciones de fluidos para cada especie que, en su forma más
general, son llamadas ecuaciones de Navier-Stokes. Lamentablemente en
muchos casos estas ecuaciones son excesivamente complejas e
inmanejables; hay que recurrir entonces a simplificaciones
adicionales.
Ejemplos de plasmas


Las LCF son ejemplo de aplicación del plasma.
Los plasmas forman el estado de agregación más abundante de la
naturaleza. De hecho, la mayor parte de la materia en el Universo
visible se encuentra en estado de plasma. Algunos ejemplos de plasmas
son:
• Producidos artificialmente:
o En los televisores o monitores con pantalla de plasma.
o En el interior de los tubos fluorescentes (iluminación de bajo
consumo).
o En soldaduras de arco eléctrico bajo protección por gas (TIG, MIG/
MAG, etc.)
o Materia expulsada para la propulsión de cohetes.
o La región que rodea al escudo térmico de una nave espacial durante
su entrada en la atmósfera.
o El interior de los reactores de fusión.
o Las descargas eléctricas de uso industrial.
o Las bolas de plasma.
• Plasmas terrestres:
o Los rayos durante una tormenta.
o La ionosfera.
o La aurora boreal.


El sol quizás sea el ejemplo de plasma más identificable.
• Plasmas espaciales y astrofísicos:
o Las estrellas (por ejemplo, el Sol).
o Los vientos solares.
o El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema
Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el
medio intergaláctico (la materia entre las galaxias).
o Los discos de acrecimiento.
o Las nebulosas intergalácticas.
o Ambiplasma
Y la física de plasmas puede encontrar aplicación en diversas áreas:
• Descargas de gas (electrónica gaseosa).
• Fusión termonuclear controlada.
• Física del espacio.
• Astrofísica moderna.
• Conversión de energía de MHD (magneto hidrodinámica) y propulsión
iónica.
• Plasmas de estado sólido.
• Láser de gas.