¿Qué son y para qué se utilizan los materiales de cambio de fase (PCM)?

Los materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés) son un tema fascinante y cada vez más relevante en el campo de la energía y la construcción sostenible. A mi personalmente me parece un tema muy interesante, por lo que le voy a dedicar este post.

Los PCM son, básicamente, baterías de calor. Son materiales que pueden almacenar energía en forma de calor, la cual puede ser liberada posteriormente para ser utilizada en ausencia de fuentes de calor. Por ejemplo, supongamos que tenemos un colector de energía solar que transfiere calor a un material de cambio de fase durante el día. En la noche, en ausencia de sol, el material de cambio de fase podrá liberar el calor almacenado, el cual se podrá utilizar para cualquier tarea que requiera calor.

A grandes rasgos, este es el concepto básico detrás de los materiales de cambio de fase. En este post entraremos en detalles sobre este tema y presentaremos algunos ejemplos de materiales y usos con los que se cuenta en la actualidad.

Por cierto, si alguien se pregunta el por qué de la imagen que acompaña a este post, la de las abejas en un panal, es porque la cera de abeja es un material de cambio de fase, un PCM. Sí, la cera de abeja se puede utilizar para construir una batería de calor con una gran capacidad para almacenar energía térmica. De hecho, aqui en Panama Hitek ya hicimos una simulación sobre este tema en la que se demuestra la capacidad de este material para almacenar energía térmica. La Madre Naturaleza, en su infinita sabiduría, nunca deja de sorprendernos.

Sin dar más vueltas a este asunto, empecemos.

¿Qué son los materiales de cambio de fase?

Los materiales de cambio de fase son materiales que tienen la capacidad de almacenar y liberar grandes cantidades de energía térmica durante su proceso de cambio de fase. Esto significa que pueden absorber energía cuando se derriten y liberarla cuando se solidifican, lo que les permite regular la temperatura de un entorno. Esto para el caso de materiales que funcionan con cambios de fase de sólido a líquido.

Debemos recordar que existen tres estados básicos de la materia, que son las formas en que la materia se presenta en función de las propiedades físicas y químicas de las partículas que la componen. Los tres estados (fases) de la materia más conocidos son sólido, líquido y gaseoso.

En la fase sólida, las partículas están muy cerca unas de otras y en una estructura ordenada y definida, lo que le da al sólido una forma y un volumen fijo. En la fase líquida, las partículas están más separadas y se mueven con mayor libertad, lo que hace que el líquido tenga un volumen definido, pero no una forma fija, ya que puede adoptar la forma del recipiente que lo contiene. En el estado gaseoso, las partículas se encuentran muy separadas y se mueven con gran libertad, lo que hace que el gas no tenga ni forma ni volumen definido.

El concepto de cambio de fase se refiere a la transición que ocurre entre dos estados físicos de un material a medida que se le suministra o se le quita energía. En el caso de los PCM, lo más común es que el cambio de fase se produzca entre las fases sólida y líquida del material, aunque es posible que se produzcan otros tipos de cambios de fase. Además de los materiales de cambio de fase que van del estado sólido al líquido, también existen materiales de cambio de fase sólido a sólido, es decir, materiales que pueden almacenar y liberar energía térmica durante una transición de fase entre dos estados sólidos. Sobre este tema profundizaré más adelante en este post.

El proceso de cambio de fase de un material implica un cambio en la energía interna del material sin que su temperatura cambie significativamente. Durante el cambio de fase, se requiere una cantidad significativa de energía para romper las fuerzas intermoleculares que mantienen juntas las partículas del material.

Cuando un material cambia de sólido a líquido, por ejemplo, se requiere una cantidad de energía determinada, llamada calor latente de fusión, para romper las fuerzas intermoleculares y separar las partículas. Esta energía se obtiene del entorno, el cual debe encontrarse a una mayor temperatura para provocar el proceso de fusión. Mientras se da este proceso, la temperatura del material de cambio de fase permanece constante.

El proceso a través del cual los PCM almacenan energía durante el cambio de fase se resume de manera gráfica en la siguiente imagen:

Los materiales de cambio de fase (PCM) son sustancias que pueden almacenar y liberar energía térmica en forma de calor latente durante el proceso de fusión y solidificación. Los PCM tienen una temperatura de fusión y una temperatura de solidificación, y su capacidad de almacenamiento de energía depende del calor latente de fusión del material.

Cuando se aplica una fuente de calor a un PCM, su temperatura comienza a aumentar como lo haría con cualquier otro material. Una vez que la temperatura del material alcanza su temperatura de cambio de fase, que es la temperatura a la que el material comienza a cambiar de estado sólido a líquido, el PCM comienza a absorber la energía térmica para completar el proceso de fusión. A medida que el PCM cambia de estado, su temperatura se mantiene constante y no aumenta, lo que significa que el calor latente de fusión se utiliza para convertir el material de sólido a líquido en lugar de elevar su temperatura.

Una vez que todo el material se ha convertido en líquido, el PCM estará cargado de energía térmica almacenada y su temperatura seguirá aumentando en respuesta a la fuente de calor. Si se retira la fuente de calor, la temperatura del PCM comenzará a disminuir. Durante la solidificación, el PCM liberará la energía almacenada en forma de calor latente y su temperatura se mantendrá constante hasta que todo el material se haya solidificado. Una vez que todo el material se haya solidificado, el PCM ya no contendrá energía térmica almacenada y comenzará a enfriarse hasta que alcance el equilibrio térmico.

Para entender cómo funcionan los materiales de cambio de fase, podemos imaginarlos como una especie de «batería de calor». En lugar de almacenar energía eléctrica como lo haría una batería convencional, los PCM almacenan energía térmica en forma de calor latente.

Podemos hacer una analogía entre la batería de calor y una batería eléctrica convencional. En una batería eléctrica, el voltaje representa la diferencia de potencial entre los polos positivo y negativo, mientras que la corriente eléctrica representa el flujo de electrones a través de la batería. En una batería de calor, la temperatura puede considerarse como el equivalente del voltaje, mientras que el calor es equivalente a la corriente eléctrica.

Para cargar una batería de calor, es necesario aplicar una fuente de calor que eleve la temperatura del PCM a su punto de fusión. Durante el proceso de fusión, el PCM absorbe energía térmica en forma de calor latente, de manera similar a cómo una batería eléctrica almacena energía eléctrica en su interior. Una vez que el PCM está completamente cargado, es capaz de mantener una temperatura constante mientras libera la energía térmica almacenada.

Calor latente y calor sensible

Al hablar de materiales de cambio de fase (PCM), es importante mencionar los conceptos de calor latente y calor sensible, ya que están directamente relacionados con el proceso de cambio de fase.

El calor sensible se refiere a la cantidad de energía que se requiere para cambiar la temperatura de un material sin cambiar su estado. Esto significa que, durante el proceso de calentamiento o enfriamiento, se está agregando o eliminando energía térmica del material, pero este sigue manteniendo su estado físico (sólido, líquido o gas).

Por otro lado, el calor latente se refiere a la cantidad de energía que se requiere para cambiar el estado físico de un material sin cambiar su temperatura. En otras palabras, durante el proceso de cambio de fase, el material absorbe o libera energía térmica sin que su temperatura cambie. Durante la fusión, por ejemplo, un material absorbe una cantidad específica de calor latente para cambiar de sólido a líquido sin cambiar su temperatura.

Los PCM se utilizan para aprovechar la propiedad de calor latente y almacenar grandes cantidades de energía térmica en su proceso de fusión o solidificación, lo que permite regular la temperatura en una aplicación específica. Cuando el PCM absorbe calor de su entorno, sufre una transición de fase de sólido a líquido, lo que permite almacenar energía térmica en forma de calor latente. Cuando se enfría, el PCM libera esta energía almacenada en forma de calor latente, solidificándose y liberando energía térmica al entorno.

En resumen, el uso de PCM aprovecha la propiedad de calor latente y almacenamiento de energía térmica durante el proceso de fusión o solidificación del material, lo que permite regular la temperatura en una aplicación específica.

La importancia de los procesos de cambio de fase

El concepto de utilizar los cambios de fase de la materia para transferencia de calor no es nuevo. Los procesos de cambio de fase han sido utilizados desde hace mucho tiempo en una variedad de aplicaciones, como el enfriamiento y acondicionamiento de aire.

Por ejemplo, los antiguos egipcios utilizaban el enfriamiento evaporativo para reducir la temperatura en sus hogares y edificios, mojando las paredes y los suelos con agua y dejando que el calor se evaporara. Este proceso de evaporación consume una gran cantidad de energía, lo que hace que el entorno se enfríe. Básicamente se utiliza el cambio de fase de líquido gaseoso para absorber calor.

De manera similar, los procesos de enfriamiento evaporativo se utilizan en la actualidad en sistemas de aire acondicionado evaporativo, que utilizan agua y aire para reducir la temperatura en edificios. Creo que muchos de los que leerán este post entenderán que las unidades de acondicionamiento de aire cuentan con algo llamado «evaporador». Bueno, ya ven por donde va este tema.

Los procesos de cambio de fase también se utilizan en sistemas de refrigeración y congelación. En estos sistemas, se utiliza un refrigerante que cambia de estado de líquido a gas (en el evaporador) y viceversa (en el condensador) para absorber y liberar energía térmica, enfriando así el entorno. Estos sistemas son comunes en la industria alimentaria y en la conservación de productos sensibles a la temperatura.

En resumen, los procesos de cambio de fase se han utilizado durante mucho tiempo en una variedad de aplicaciones, desde el enfriamiento y acondicionamiento de aire hasta la refrigeración y congelación.

A diferencia de lo sistemas de enfriamiento, el principal enfoque con el que se utilizan los PCM es para almacenamiento de calor. En los últimos años, ha habido un creciente interés en los PCM debido a su capacidad para reducir el consumo de energía en edificios y otras aplicaciones. A medida que la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero se hace cada vez más evidente, los PCM se han vuelto una opción cada vez más atractiva para mejorar la eficiencia energética en la construcción y en otros sectores.

Por ejemplo, en el caso de un edificio, se puede incorporar PCM en la construcción de los muros, techos o suelos. Durante el día, cuando la temperatura exterior es alta, el PCM absorbe el exceso de calor, manteniendo la temperatura interior fresca. Luego, durante la noche, cuando la temperatura exterior disminuye, el PCM libera el calor almacenado, manteniendo el interior del edificio cálido.

Los PCM pueden ser utilizados en una variedad de formas, desde paneles, tejas y aislantes hasta pinturas y morteros. También se utilizan en sistemas colectores de calor que utilizan la energía solar o el calor residual de algún proceso termodinámico para «cosechar» energía que pueda ser utilizada posteriormente.

Características importantes de los PCM

Una de las principales características de los materiales de cambio de fase es la temperatura de fusión, que es la temperatura a la que el material cambia de estado sólido a líquido (en el caso de materiales con cambio de fase sólido-líquido). La mayor capacidad de almacenamiento de energía de los PCM ocurre en su proceso de cambio de fase, por lo cual no basta con utilizar cualquier material solo por ser un PCM.

Por ejemplo, si utilizamos cera de abejas cuya temperatura de cambio de fase es alrededor de 63 ºC, este material solamente se fusionará y acumulará altos niveles de energía cuando la temperatura alcance aproximadamente 63 ºC. En el caso particular de la cera de abejas, el rango de fusión es de aproximadamente 62 a 64°C. Es decir, la cera de abejas comienza a fundirse a una temperatura de alrededor de 62°C y se funde completamente a una temperatura de alrededor de 64°C. Si la temperatura no llega a ese punto el PCM actuará cómo cualquier otro material pues no habrá cambio de fase y, por lo tanto, no habrá ese elevado almacenamiento de energía que se desea aprovechar.

Eso es especialmente importante a la hora de definir el material que se va a utilizar en una aplicación dada, pues una mala selección del PCM podría resultar en un sistema de almacenamiento de energía inservible. Pensemos, por ejemplo, en un calentador solar, el cual difícilmente llegará a 100 ºC aún en el día más soleado del verano.

De igual manera, es importante destacar que los materiales de cambio de fase usualmente tienen baja conductividad térmica en comparación con otros materiales típicamente utilizados para almacenamiento de calor sensible, cómo los metales. Esto puede ser positivo pues ayuda a que el material no libere la energía acumulada en un corto tiempo lo que extiende el tiempo de utilidad de la bateria de calor. Sin embargo, si el entorno del PCM no permite la liberación de la energía acumulada, este no logrará su función y podría actuar cómo un obtáculo adicional para que el calor acumulado se transfiera al punto de aprovechamiento. Esto implica que el tipo, ubicación y cantidad de PCM son cruciales en el diseño de los sistemas de almacenamiento de energía térmica basados en su uso.

En general, a parte de la temperatura de fusión existen otras propiedades importantes que se deben considerar a la hora de seleccionar un PCM:

• Capacidad de almacenamiento de energía: La cantidad de energía térmica que un PCM puede almacenar y liberar durante el proceso de cambio de fase es una propiedad clave que debe ser considerada. A esta propiedad se le conoce como calor latente de fusión. Una mayor capacidad de almacenamiento de energía o calor latente significa que el PCM cuenta con mayor potencial para acumular energía en su proceso de cambio de fase. De igual manera, el periodo de liberación de calor a temperatura constante podrá ser más extenso, lo que permitiría que regule la temperatura a su alrededor por un mayor tiempo.

• Estabilidad térmica: Es importante que un PCM sea estable térmicamente para que no se descomponga o degrade con el tiempo. Los PCM térmicamente estables son más duraderos y confiables.

• Conductividad térmica: Una mayor conductividad térmica también ayuda a mejorar la eficiencia de transferencia de calor. Sin embargo, este es un parámetro retador pues la mayoría de los materiales de cambio de fase tienen baja conductividad térmica. Múltiples estudios han propuesto diversos aditivos tales cómo nanofluidos y nanopartículas de material metálico; así como es uso de superficies extendidas (aletas) para mejorar la transferencia de calor entre el PCM y su entorno.

• Durabilidad: Los PCM deben ser duraderos para asegurar una larga vida útil y reducir los costos de mantenimiento. La durabilidad también es importante para garantizar que el PCM mantenga su capacidad de almacenamiento de energía a largo plazo.

Tipos de materiales de cambio de fase

Otro modo de clasificación de los PCM se realiza en términos de el tipo de cambio de fase que sufren. Además de los PCM sólido-líquido que hemos estado discutiendo, también existen PCM sólido-sólido, líquido-líquido y gas-líquido. Estos tipos de PCM tienen propiedades únicas y se utilizan en aplicaciones específicas.

• PCM sólido-sólido: son materiales que cambian de cristalina a amorfa (o viceversa) a una temperatura específica. En este caso, la transición de fase no implica un cambio de estado, sino un cambio en la estructura cristalina del material. Un ejemplo común de PCM sólido-sólido es la aleación de nitrógeno y carbono llamada nitruro de carbono cúbico (c-CNx). A temperatura ambiente, el c-CNx tiene una estructura cristalina cúbica, pero por encima de una temperatura crítica (aproximadamente 1000 K), se convierte en una estructura amorfa. Este cambio de fase libera energía térmica, lo que lo hace adecuado como PCM.

• PCM líquido-líquido: Estos PCM consisten en dos líquidos que forman una mezcla eutéctica con un punto de fusión característico. Un ejemplo común de PCM líquido-líquido es la mezcla eutéctica de ácido benzoico y ácido láurico, que tiene un punto de fusión de alrededor de 19°C. Estos PCM se utilizan comúnmente en aplicaciones de refrigeración, como la refrigeración de alimentos y bebidas.

• PCM gas-líquido: Estos PCM consisten en un gas que se disuelve en un líquido para formar una solución que tiene un punto de fusión característico. Un ejemplo común de PCM gas-líquido es la mezcla de aire y agua, que se utiliza en aplicaciones de calefacción y refrigeración. Cuando se calienta, el aire se expande y se disuelve en el agua, y cuando se enfría, el aire se condensa y se separa del agua.