Un estudio elaborado por investigadores del Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería (CIMNE) y de la Swansea University ha concluido que los modelos constitutivos pueden cumplir la primera y la segunda ley de la termodinámica, pero ser incompatibles con la tercera. La investigación, publicada en la revista científica Journal of the Mechanics and Physics of Solids, analiza la influencia del calor específico en la descripción matemática de materiales sometidos a deformaciones extremas y cambios de temperatura.
El artículo, titulado Finite strain thermoelasticity and the Third Law of thermodynamics, está firmado por el profesor Javier Bonet, director general e investigador del CIMNE, y por el doctor Antonio J. Gil, profesor del Zienkiewicz Institute for Modelling, Data and AI de la Swansea University. Los modelos constitutivos son fundamentales para simular comportamientos termomecánicos complejos, ya que describen cómo los materiales responden a condiciones externas como la tensión, la deformación y la temperatura.
Bonet y Gil demuestran matemáticamente que los supuestos habituales sobre el calor específico constante o dependiente solo de la temperatura imponen restricciones importantes al considerar la tercera ley de la termodinámica, pudiendo comprometer la coherencia de los modelos. La tercera ley establece que la entropía tiende a cero cuando la temperatura se aproxima al cero absoluto (0 K), pero los modelos convencionales con calor específico positivo y constante predicen una entropía que tiende al infinito negativo.
«La tercera ley impone restricciones al acoplamiento termomecánico que los modelos constitutivos convencionales no siempre tienen en cuenta», explica Bonet. Como alternativa, los investigadores proponen un marco constitutivo analítico donde el calor específico se expresa como una combinación multiplicativa de funciones de temperatura y deformación. Esta formulación cumple la tercera ley y mantiene la coherencia con la primera y la segunda, incorporando también la policonicidad para la estabilidad del modelo.
Estas conclusiones podrían tener implicaciones en la simulación de materiales como los similares al caucho, con aplicaciones en sectores como la automoción, la construcción y la salud. También desarrollan formulaciones para representar el reblandecimiento térmico y la fusión, relevantes para ingeniería aeroespacial, energía nuclear y fabricación aditiva. Bonet señala que una descripción termodinámica más completa mejoraría la coherencia física de los modelos.
Aunque la investigación es teórica y requiere validación experimental, establece las bases para futuras investigaciones en simulación de materiales, con posibles repercusiones en la computación avanzada, procesos industriales y energías limpias.
