Del Fluido Ideal al Plasma - Aerobib

, 1uÍT\{ A 1 J ^VÍA/ V ^1 Traslación1JI( 3 grados )/^~\ —* S~\IIRotoción(2 grados)1 rt i 1 ( A ywuuiM. *) li( A 1 l A Mv_y„— ^—yv O--—.^~-^sVibraciónIVExcitación electrónico( Z grados ")E= Et *- Er + Ev + Ee- —s~\„ , r~^ \ /""V^J-Wü (JSty\^ y *• 0 .-^ ' I electrón)V* Disociación\¡[ Ionización(*^ A ++ •-)(A2^± 2A«di Tí-)(A)"'( T ) . PÍ^).P(.-)p(Az)Fig. 6. - Pa ráculas del aire.de presiones a través de la ondallega a ser de varios centenares paralos números de Mach más altos,y que la temperatura detrás de laonda es del mismo orden de magnitudque la de una pared adabática.V. Vemos, pues que uno de losfenómenos más característicos deeste régimen hipersónico, y desdeluego el más importante, frente alcual pierde interés el de la resistencia,es que en él se alcanzan temperaturasmuy elevadas, bien sea acausa del rozamiento del aire o biensea debido a la formación de las ondasde choque. Como consecuenciade esto ocurre que en este régimense alcanzan estados del aire que vandesde presiones muy pequeñas enlas grandes alturas, de una centésimade atmósfera o menores, hastavarios cientos de atmósferas detrásde las ondas de choque al niveldel suelo, y desde la temperaturaambiente, o algo menor, hasta muchosmiles de grados en la superficiede los obstáculos o detrás de lasondas de choque. Por consiguiente,la primera cuestión que se planteaes la del conocimiento del estadotermodinámico del aire y suspropiedades en tales condiciones.Volviendo, pues, al estudio desu estructura molecular, como sehizo al tratar de la superaerodinámica,lo que interesa ahora, en primerlugar, es ver la forma en quelas moléculas del aire, es decir, desus componentes, pueden almacenarenergía, puesto que la temperaturaes una medida de ella. Estoaparece resumido en la figura 6para una molécula biatómica, deátomos iguales, como son las deloxígeno o nitrógeno. En ella se veque la energía se almacena en lamolécula en cuatro formas distintasy, hasta cierto punto, independientes:energía cinética de traslaciónde su centro de gravedad, contres grados de libertad; energía cinéticade rotación, con dos gradosde libertad, correspondientes a losgiros alrededor de dos ejes perpendicularesentre sí y al de la molécula,puesto que el momento de inerciade este último es prácticamentenulo y, por consiguiente, no puedealmacenarse energía en él; energíacinética de vibración en el modo enque la molécula puede oscilar, esdecir, por aproximación y separaciónde los átomos que la formancon respecto a su distancia deequilibrio, con dos grados de libertadcorrespondientes a las energíaspotencial y cinética, y, finalmente,energía de excitación electrónica enlos niveles que muestre el espectrode la molécula.La Mecánica Estadística enseñala forma y proporción en que dichaenergía se distribuye entre losdiversos grados de libertad de lamolécula, que en las condiciones típicasde la Aerodinámica clásica ode la supersónica inferior, se reducenesencialmente a los tres de traslacióny a los dos de rotación, loque hace que la aproximación desuponer el calor específico constanteaparezca justificada y permitaimportantes simplificaciones en eltratamiento analítico de los problemas.Pero a medida que se elevala temperatura, por alcanzarse velocidadesmayores, entran en jue-.go los grados de libertad internosde la molécula, es decir, los de vibracióny excitación electrónica, yes necesario tomar en consideraciónsu influencia, con la consiguientecomplicación de las funcionestermodinámicas.Por otra parte no se detienenahí las cosas, porque a temperaturasmayores, como las que correspondenal régimen hipersónico estudiado,una proporción crecientede moléculas se disocia en sus átomos,como muestra la figura 6,8 INGENIERÍA AERONÁUTICA Y ASTRONÁUTICA