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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E3.1 - Hervido: Convección Natural
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:4234
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Gradiente térmico y densidad
La diferencia de temperatura entre fondo y superficie produce una diferencia de densidad bajo Boussinesq.
Grupo 2: Grupo 2: Flotación y movimiento
Navier-Stokes combina presión, viscosidad y flotación gravitacional para describir el movimiento del agua.
Grupo 3: Grupo 3: Rayleigh y régimen convectivo
Grashof y Prandtl se combinan en Rayleigh; al crecer Ra aumenta la facilidad de transición a flujo turbulento.
Grupo 4: Grupo 4: Nucleación de burbujas
El sobrecalentamiento local y el radio efectivo de cavidades controlan el inicio de ebullición nucleada.
Grupo 5: Grupo 5: Hervor suave y vigoroso
El régimen de hervor determina agitación, transferencia térmica y energía requerida.
Grupo 6: Grupo 6: Respuesta del alimento
La intensidad del hervor se confronta con la delicadeza de la textura para seleccionar un régimen culinario.
ID:1526
Grupo 1: Grupo 1: Gradiente térmico y densidad
Descripción
La diferencia de temperatura entre fondo y superficie produce una diferencia de densidad bajo Boussinesq.
Pregunta clave: ¿Cómo opera gradiente térmico y densidad?
La diferencia de temperatura entre fondo y superficie produce una diferencia de densidad bajo Boussinesq. Que esta diferencia de temperatura entre el fondo y la superficie de esta olla sea mayor hace que, según esta misma aproximación de Boussinesq, esta diferencia de densidad entre ambos puntos sea, en consecuencia, mayor, y que esta flotación gravitacional que impulsa a estas corrientes de convección natural sea, en consecuencia, más intensa. Las ecuaciones de Navier-Stokes describen el movimiento de esta agua dentro de esta olla bajo la acción combinada de los gradientes de presión, de las fuerzas viscosas y de la flotación gravitacional que actúan juntas sobre ella, y es la aproximación de Boussinesq la que simplifica este mismo tratamiento: esta aproximación de Boussinesq trata a la densidad de esta agua como constante en todos lados salvo en el término de esta misma flotación gravitacional, donde la diferencia de densidad entre dos puntos de esta agua se mantiene proporcional a la diferencia de temperatura entre esos mismos dos puntos. El hervido de esta agua dentro de esta olla es un sistema de convección natural, la misma convección natural que ya establece otro modelo de este conjunto como impulsada por una diferencia de densidad causada por una diferencia de temperatura: aquí, esta convección natural queda impulsada por la diferencia de densidad entre esta agua caliente del fondo de esta olla, más ligera, y esta agua todavía fría de la superficie de esta olla, más pesada.
ID:4967
Grupo 2: Grupo 2: Flotación y movimiento
Descripción
Navier-Stokes combina presión, viscosidad y flotación gravitacional para describir el movimiento del agua.
Pregunta clave: ¿Cómo opera flotación y movimiento?
Navier-Stokes combina presión, viscosidad y flotación gravitacional para describir el movimiento del agua. El número de Rayleigh de esta agua, que combina al número de Grashof con este mismo número de Prandtl que ya establece otro modelo de este conjunto, sintetiza la competencia entre esta flotación gravitacional, que impulsa el movimiento de esta agua, y las fuerzas disipativas de esta misma agua, su viscosidad y su difusión térmica, que en cambio se oponen a ese mismo movimiento: cuando este número de Rayleigh de esta agua supera un umbral alto, el flujo de esta agua se vuelve turbulento, generando el burbujeo característico y el movimiento caótico propios de un hervor vigoroso. Las ecuaciones de Navier-Stokes describen el movimiento de esta agua dentro de esta olla bajo la acción combinada de los gradientes de presión, de las fuerzas viscosas y de la flotación gravitacional que actúan juntas sobre ella, y es la aproximación de Boussinesq la que simplifica este mismo tratamiento: esta aproximación de Boussinesq trata a la densidad de esta agua como constante en todos lados salvo en el término de esta misma flotación gravitacional, donde la diferencia de densidad entre dos puntos de esta agua se mantiene proporcional a la diferencia de temperatura entre esos mismos dos puntos. Que esta diferencia de temperatura entre el fondo y la superficie de esta olla sea mayor hace que, según esta misma aproximación de Boussinesq, esta diferencia de densidad entre ambos puntos sea, en consecuencia, mayor, y que esta flotación gravitacional que impulsa a estas corrientes de convección natural sea, en consecuencia, más intensa.
ID:4968
Grupo 3: Grupo 3: Rayleigh y régimen convectivo
Descripción
Grashof y Prandtl se combinan en Rayleigh; al crecer Ra aumenta la facilidad de transición a flujo turbulento.
Pregunta clave: ¿Cómo opera rayleigh y régimen convectivo?
Grashof y Prandtl se combinan en Rayleigh; al crecer Ra aumenta la facilidad de transición a flujo turbulento. El número de Rayleigh de esta agua, que combina al número de Grashof con este mismo número de Prandtl que ya establece otro modelo de este conjunto, sintetiza la competencia entre esta flotación gravitacional, que impulsa el movimiento de esta agua, y las fuerzas disipativas de esta misma agua, su viscosidad y su difusión térmica, que en cambio se oponen a ese mismo movimiento: cuando este número de Rayleigh de esta agua supera un umbral alto, el flujo de esta agua se vuelve turbulento, generando el burbujeo característico y el movimiento caótico propios de un hervor vigoroso. Que este número de Rayleigh de esta agua sea mayor, con esta flotación gravitacional dominando con más fuerza todavía sobre estas fuerzas disipativas de esta misma agua, hace que este flujo de esta agua se vuelva, en consecuencia, turbulento con mayor facilidad. Esta secuencia física de este hervido comienza con la formación, dentro de esta olla, de corrientes de convección natural, cuando el número de Rayleigh de esta agua ya es lo bastante grande, y culmina, más adelante, en una ebullición nucleada y luego en una ebullición plena de esta agua.
ID:4969
Grupo 4: Grupo 4: Nucleación de burbujas
Descripción
El sobrecalentamiento local y el radio efectivo de cavidades controlan el inicio de ebullición nucleada.
Pregunta clave: ¿Cómo opera nucleación de burbujas?
El sobrecalentamiento local y el radio efectivo de cavidades controlan el inicio de ebullición nucleada. La ebullición nucleada de esta agua comienza cuando el sobrecalentamiento local de esta agua por encima de su punto de ebullición es suficiente para que una cavidad o una rugosidad del fondo de esta olla actúe como núcleo de una burbuja de esta agua: el criterio de Jakob indica que este mismo umbral de sobrecalentamiento local necesario depende de manera inversa del radio efectivo de esa cavidad o de esa rugosidad del fondo de esta olla, de modo que una superficie más rugosa de este fondo de esta olla hace hervir a esta agua antes que una superficie más lisa. Que esta cavidad o esta rugosidad del fondo de esta olla tenga un radio efectivo menor hace que, según este mismo criterio de Jakob, este umbral de sobrecalentamiento local necesario para esta ebullición nucleada sea, en consecuencia, mayor. Por eso este modelo, con esta convección natural y esta ebullición nucleada con las que se abrió, distingue, en la práctica de la cocina, entre un hervor vigoroso y un hervor suave de esta agua: este hervor vigoroso, con esta agua en ebullición plena, mejora la transferencia de calor hacia el alimento sumergido en ella y agita más a ese mismo alimento, aunque consume más energía para mantenerse, mientras que este hervor suave, con un sobrecalentamiento local mucho más pequeño sobre este punto de ebullición de esta agua, resulta suficiente para cocer lentamente a ese mismo alimento sin romper una textura delicada, como la de un pescado o la de un huevo pochado.
ID:4970
Grupo 5: Grupo 5: Hervor suave y vigoroso
Descripción
El régimen de hervor determina agitación, transferencia térmica y energía requerida.
Pregunta clave: ¿Cómo opera hervor suave y vigoroso?
El régimen de hervor determina agitación, transferencia térmica y energía requerida. Por eso este modelo, con esta convección natural y esta ebullición nucleada con las que se abrió, distingue, en la práctica de la cocina, entre un hervor vigoroso y un hervor suave de esta agua: este hervor vigoroso, con esta agua en ebullición plena, mejora la transferencia de calor hacia el alimento sumergido en ella y agita más a ese mismo alimento, aunque consume más energía para mantenerse, mientras que este hervor suave, con un sobrecalentamiento local mucho más pequeño sobre este punto de ebullición de esta agua, resulta suficiente para cocer lentamente a ese mismo alimento sin romper una textura delicada, como la de un pescado o la de un huevo pochado. Que este alimento sumergido en esta agua tenga una textura más delicada hace que convenga, en consecuencia, cocerlo con este hervor suave en lugar de con este hervor vigoroso. El número de Rayleigh de esta agua, que combina al número de Grashof con este mismo número de Prandtl que ya establece otro modelo de este conjunto, sintetiza la competencia entre esta flotación gravitacional, que impulsa el movimiento de esta agua, y las fuerzas disipativas de esta misma agua, su viscosidad y su difusión térmica, que en cambio se oponen a ese mismo movimiento: cuando este número de Rayleigh de esta agua supera un umbral alto, el flujo de esta agua se vuelve turbulento, generando el burbujeo característico y el movimiento caótico propios de un hervor vigoroso.
ID:4971
Grupo 6: Grupo 6: Respuesta del alimento
Descripción
La intensidad del hervor se confronta con la delicadeza de la textura para seleccionar un régimen culinario.
Pregunta clave: ¿Cómo opera respuesta del alimento?
La intensidad del hervor se confronta con la delicadeza de la textura para seleccionar un régimen culinario. Por eso este modelo, con esta convección natural y esta ebullición nucleada con las que se abrió, distingue, en la práctica de la cocina, entre un hervor vigoroso y un hervor suave de esta agua: este hervor vigoroso, con esta agua en ebullición plena, mejora la transferencia de calor hacia el alimento sumergido en ella y agita más a ese mismo alimento, aunque consume más energía para mantenerse, mientras que este hervor suave, con un sobrecalentamiento local mucho más pequeño sobre este punto de ebullición de esta agua, resulta suficiente para cocer lentamente a ese mismo alimento sin romper una textura delicada, como la de un pescado o la de un huevo pochado. Que este alimento sumergido en esta agua tenga una textura más delicada hace que convenga, en consecuencia, cocerlo con este hervor suave en lugar de con este hervor vigoroso.
ID:4972