Coeficiente magnetocalórico y refrigeración magnética

Introducción al efecto magnetocalórico

El efecto magnetocalórico es el intrigante fenómeno físico que hace referencia al cambio de temperatura que experimenta un material al cambiar su campo magnético. Este efecto tiene consecuencias tanto de calentamiento como de enfriamiento, y constituye el núcleo de un nuevo tipo de tecnología de refrigeración denominada refrigeración magnética. La refrigeración magnética puede considerarse más respetuosa con el medio ambiente y más eficiente desde el punto de vista energético que los dispositivos de refrigeración de última generación que funcionan según los principios de compresión de gases. Mientras el mundo busca soluciones más sostenibles, el efecto magnetocalórico presenta una oportunidad apasionante para sectores como la refrigeración, el aire acondicionado e incluso las aplicaciones médicas.

El papel del coeficiente magnetocalórico

El coeficiente magnetocalórico es uno de los parámetros más importantes a la hora de estudiar y aplicar el efecto magnetocalórico. Este coeficiente cuantifica la cantidad de cambio de temperatura que experimenta un material cuando se somete a un cambio en la intensidad del campo magnético. En otras palabras, es una medida de la susceptibilidad del material a un campo magnético con respecto a la variación de energía térmica. Cuanto mayor sea el coeficiente magnetocalórico, más eficiente será el material para desarrollar un determinado cambio de temperatura de refrigeración que influye directamente en la eficiencia de los ciclos de refrigeración magnética.

Factores que afectan al coeficiente magnetocalórico

• Composición del material: Diferentes materiales muestran diferentes propiedades con respecto al efecto magnetocalórico. Mientras que algunos pueden mostrar un gran cambio de temperatura con la aplicación de un campo magnético, otros pueden responder de forma muy insignificante. Una gran parte de la investigación en este campo se concentra en encontrar aquellos materiales que muestren un mayor efecto magnetocalórico, especialmente a temperatura ambiente, con el fin de optimizar el rendimiento en la refrigeración magnética.
• Intensidad del campo magnético: La intensidad del campo magnético aplicado determina la magnitud del cambio de temperatura. En términos generales, un campo magnético más intenso inducirá un cambio más significativo de la temperatura. Pero también depende de la eficacia del proceso según la capacidad del material para responder a tales campos.
• Rango de temperaturas: El valor del coeficiente magnetocalórico depende de la gama de temperaturas dentro de la cual puede utilizarse un material determinado. Por lo tanto, es necesario seleccionar los materiales adecuados para las distintas aplicaciones, especialmente las que tienen rangos de temperatura específicos destinados a la refrigeración o el enfriamiento.

Cómo calcular el coeficiente magnetocalórico

Para el cálculo del coeficiente magnetocalórico se aplica la siguiente fórmula:

dT/dH=T/ΔH*(dM/dT)

Las partes de una fracción están formadas por un numerador y un denominador.

Donde:

• dT/dH es el coeficiente magnetocalórico, que representa el cambio de temperatura respecto al cambio de campo magnético.
• T es la temperatura del material.
• ΔH es el cambio en el campo magnético.
• dM/dT es la velocidad de cambio de la magnetización con respecto a la temperatura, que a menudo puede determinarse experimentalmente.

Refrigeración magnética: Una visión general

La refrigeraciónmagnética se basa en el efecto magnetocalórico para lograr el enfriamiento. Los métodos tradicionales de refrigeración dependen de la acción de gases refrigerantes y compresores, pero la refrigeración magnética se basa en materiales magnéticos. Cuando estos materiales se magnetizan, se calientan, mientras que la desmagnetización hace que se enfríen. Este proceso puede repetirse en ciclos continuos para proporcionar un medio de refrigeración sostenible y eficiente.

Ventajas de la refrigeración magnética sobre los sistemas convencionales

• Eficiencia energética: Los sistemas de refrigeración magnética pueden ser más eficientes energéticamente, ya que no dependen del uso de gases refrigerantes, que generalmente requieren un alto aporte de energía para la compresión y expansión.
• Respetuosos con el medio ambiente: Los sistemas convencionales de refrigeración suelen utilizar HFC, que son perjudiciales para el medio ambiente por su alto potencial de calentamiento global. Los sistemas de refrigeración magnética, por el contrario, no utilizan estos gases y, por lo tanto, tienen un impacto medioambiental mucho menor.
• Funcionamiento silencioso: Los sistemas de refrigeración magnética funcionan de forma silenciosa, no como en los frigoríficos y sistemas de aire acondicionado convencionales, en los que los compresores mecánicos son la parte más ruidosa del sistema.

Refrigeración magnética: Mejora de la eficiencia

Entre las condiciones que pueden acelerar el uso generalizado de la tecnología de refrigeración magnética están el aumento del coeficiente magnetocalórico y la optimización del diseño del sistema. Las estrategias para mejorar la eficiencia en la refrigeración magnética incluyen:

• Ingeniería de materiales: Se están desarrollando nuevas aleaciones, composites y compuestos para potenciar este efecto. En particular, se hace hincapié en los materiales con un alto coeficiente magnetocalórico a temperatura ambiente, para permitir la refrigeración magnética en aplicaciones prácticas.
• Ciclos magnéticos optimizados: La eficacia de la refrigeración magnética también depende de cómo se aplica y retira el campo magnético. El perfeccionamiento de los ciclos magnéticos permite a los investigadores optimizar los cambios de temperatura resultantes del campo magnético y mejorar el rendimiento del sistema de refrigeración.
• Diseño del sistema: Otro factor importante que influye en el avance de la refrigeración magnética es el diseño eficiente del sistema. Esto implica la optimización de la disposición de los materiales magnéticos, el proceso de refrigeración y el consumo energético de todo el sistema.

Comparación de los coeficientes magnetocalóricos de diversos materiales

A continuación se comparan los coeficientes magnetocalóricos de varios materiales utilizados en la investigación de la refrigeración magnética. Los materiales seleccionados se basan en sus respectivos rangos de temperatura y su capacidad para generar grandes cambios de temperatura cuando se exponen a un campo magnético.

Los materiales mencionados han sido seleccionados sobre todo por sus elevados coeficientes magnetocalóricos, que los convierten en candidatos ideales para aplicaciones de refrigeración magnética. Cada material posee un rango de temperatura de funcionamiento diferente, lo que adquiere gran importancia durante la selección de materiales para aplicaciones de refrigeración específicas. Para conocer más materiales avanzados, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

¿Qué es el efecto magnetocalórico?

Un material magnético se calienta o se enfría cuando se somete a un campo magnético variable; es el efecto magnetocalórico. La refrigeración magnética, en su búsqueda de una tecnología de refrigeración eficiente desde el punto de vista energético y respetuosa con el medio ambiente, proporciona el principio subyacente en este campo.

¿En qué se diferencia la refrigeración magnética de la refrigeración tradicional?

La refrigeración magnética enfría con materiales magnéticos y el efecto magnetocalórico, en lugar de depender de los gases refrigerantes de la refrigeración convencional. Esto garantiza una mayor eficiencia energética y es más respetuoso con el medio ambiente, ya que no implica gases nocivos.

¿Por qué es importante el coeficiente magnetocalórico?

El coeficiente magnetocalórico es una medida del cambio de temperatura que experimentaría un material con la aplicación de un campo magnético. Cuanto mayor sea el valor del coeficiente, mejor, o más eficiente, será el material para aportar mejoras a los sistemas de refrigeración magnética.

¿Qué materiales tienen los coeficientes magnetocalóricos más elevados?

Es bien sabido que materiales como el gadolinio, Gd; el hierro-rodio, FeRh; y las aleaciones de manganeso-hierro, MnFe, presentan un elevado coeficiente magnetocalórico. Estos materiales pueden ser los candidatos ideales para aplicaciones de refrigeración magnética.

¿Es factible la refrigeración magnética en los electrodomésticos?

Sí, la refrigeración magnética puede aplicarse a electrodomésticos cotidianos como un frigorífico o un aparato de aire acondicionado. Actualmente se está investigando y el objetivo es construir sistemas que puedan instalarse en los hogares, ofreciendo posiblemente una alternativa más ecológica a las actuales tecnologías de refrigeración.