La termodinámica es una ciencia que tiene una gama muy amplia de aplicaciones en el estudio de la ingeniería. Este pequeño ensayo muestra las relaciones que existen entre la carrera que estudio (Ing. En Computación) y la termodinámica. El campo de aplicación es muy amplio pero la información es muy dispersa y requiere de bastantes definiciones previas; procuré no ser muy extenso en las definiciones previas al análisis del calor en los diversos elementos de la computadora, como también intente no saltar tan drásticamente entre una aplicación y otra. La principal aplicación que encontré fue el calentamiento de diferentes partes de la computadora, esencialmente lo que son circuitos, procesadores, microprocesadores y cables. En el transcurso de mi investigación hallé el concepto de termoelectricidad que es un concepto amplio y que tiene mucha aplicación en las componentes de la computadora(en su mayoría eléctricos).

TERMODINÁMICA

Campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y energía. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.

Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno.

Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

La corriente eléctrica es uno de los numerosos fenómenos que pueden producir calor. En todos los conductores por los que pasan una corriente, hay una producción de calor, conocida con el nombre de efecto de joule; la transformación contraria directa, es decir de calor en electricidad, se observa en las pilas termoeléctricas y basta calentar una de las dos soldaduras de dos metales diferentes que forman parte de un circuito para que se engendre en el mismo una corriente. De ellos se deduce que existe energía eléctrica y que el paso de una corriente es en realidad un transporte de energía a lo largo de un circuito.

Circuito: Un circuito consiste en cierto número de elementos unidos en puntos terminales, proporcionando por lo menos una trayectoria cerrada por la que puede fluir una carga.

TERMOELECTRICIDAD

La Termoelectricidad se considera como la rama de la termodinámica superpuesta a la electricidad donde se estudian los fenómenos en los que intervienen el calor y la electricidad, el fenómeno mas conocido es el de electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría

Para una pareja de materiales determinada, la diferencia de tensión es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas. Esta relación puede emplearse para la medida precisa de temperaturas mediante un termopar en el que una de las uniones se mantiene a una temperatura de referencia conocida (por ejemplo, un baño de hielo) y la otra se coloca en el lugar cuya temperatura quiere medirse. A temperaturas moderadas (hasta unos 260 °C) suelen emplearse combinaciones de hierro y cobre, hierro y constatan (una aleación de cobre y níquel), y cobre y constatan. A temperaturas mayores (hasta unos 1.650 °C) se utiliza platino y una aleación de platino y rodio. Como los alambres de los termopares pueden tener dimensiones muy pequeñas, también permiten medir con precisión las temperaturas locales en un punto.

Refrigeración: es el proceso por el que se reduce la temperatura de un espacio determinado y se mantiene esta temperatura baja con el fin, por ejemplo, de enfriar alimentos, conservar determinadas sustancias o conseguir un ambiente agradable, evitar la deformación de ciertos sustancias, conservar ciertas propiedades.

Resistencia: Todos los componentes de un circuito eléctrico exhiben en mayor o menor medida una cierta resistencia, capacidad e inductancia. La unidad de resistencia comúnmente usada es el ohmio, que es la resistencia de un conductor en el que una diferencia de potencial de 1 voltio produce una corriente de 1 amperio. La capacidad de un condensador se mide en faradios: un condensador de 1 faradio tiene una diferencia de potencial entre sus placas de 1 voltio cuando éstas presentan una carga de 1 culombio.

Estas definiciones anteriores muestran un panorama general y teórico de las relaciones entre electricidad y termodinámica, son antesala para entender algunos conceptos más particulares en la aplicación a las computadoras. Como son los condensadores (o capacitores), las causas del calentamiento, como solucionarlo etc.

Hardware: equipo utilizado para el funcionamiento de una computadora. El hardware se refiere a los componentes materiales de un sistema informático. La función de estos componentes suele dividirse en tres categorías principales: entrada, salida y almacenamiento. Los componentes de esas categorías están conectados a través de un conjunto de cables o circuitos llamado bus con la unidad central de proceso (CPU) del ordenador, el microprocesador que controla la computadora y le proporciona capacidad de cálculo.

Aunque, técnicamente, los microprocesadores todavía se consideran hardware, partes de su función también están asociadas con el software. Como los microprocesadores tienen tanto aspectos de hardware como de software, a veces se les aplica el término intermedio de microprogramación, o firmware.

Para funcionar, el hardware necesita unas conexiones materiales que permitan a los componentes comunicarse entre sí e interaccionar. Un ¨bus¨ constituye un sistema común interconectado, compuesto por un grupo de cables o circuitos que coordina y transporta información entre las partes internas de la computadora.

Microprocesador: Circuito electrónico que actúa como unidad central de proceso de un ordenador, proporcionando el control de las operaciones de cálculo. Los microprocesadores también se utilizan en otros sistemas informáticos avanzados, como impresoras, automóviles o aviones. En 1995 se produjeron unos 4.000 millones de microprocesadores en todo el mundo.

Los micros, suelen tener forma de cuadrado o rectángulo negro, y van o bien sobre un elemento llamado zócalo (socket en inglés) o soldados en la placa o, en el caso del Pentium II, metidos dentro de una especie de cartucho que se conecta a la placa base (aunque el chip en sí está soldado en el interior de dicho cartucho).

El microprocesador es un tipo de circuito súmamente integrado. Los circuitos integrados, también conocidos como microchips o chips, son circuitos electrónicos complejos formados por componentes extremadamente pequeños formados en una única pieza plana de poco espesor de un material conocido como semiconductor. Los microprocesadores modernos incorporan hasta 10 millones de transistores (que actúan como amplificadores electrónicos, osciladores o, más a menudo, como conmutadores), además de otros componentes como resistencias, diodos, condensadores y conexiones, todo ello en una superficie comparable a la de un sello postal.

Fabricación de microprocesadores

Los microprocesadores se fabrican empleando técnicas similares a las usadas para otros circuitos integrados, como chips de memoria. Generalmente, los microprocesadores tienen una estructura más compleja que otros chips, y su fabricación exige técnicas extremadamente precisas.

La fabricación económica de microprocesadores exige su producción masiva. Sobre la superficie de una oblea de silicio se crean simultáneamente varios cientos de grupos de circuitos. El proceso de fabricación de microprocesadores consiste en una sucesión de deposición y eliminación de capas finísimas de materiales conductores, aislantes y semiconductores, hasta que después de cientos de pasos se llega a un complejo "bocadillo" que contiene todos los circuitos interconectados del microprocesador. Para el circuito electrónico sólo se emplea la superficie externa de la oblea de silicio, una capa de unas 10 micras de espesor (unos 0,01 mm, la décima parte del espesor de un cabello humano). Entre las etapas del proceso figuran la creación de sustrato, la oxidación, la litografía, el grabado, la implantación iónica y la deposición de capas.

La primera etapa en la producción de un microprocesador es la creación de un sustrato de silicio de enorme pureza, una rodaja de silicio en forma de una oblea redonda pulida hasta quedar lisa como un espejo. En la actualidad, las obleas más grandes empleadas en la industria tienen 200 mm de diámetro.

En la etapa de oxidación se coloca una capa eléctricamente no conductora, llamada dieléctrico. El tipo de dieléctrico más importante es el dióxido de silicio, que se "cultiva" exponiendo la oblea de silicio a una atmósfera de oxígeno en un horno a unos 1.000 ºC. El oxígeno se combina con el silicio para formar una delgada capa de óxido de unos 75 angstroms de espesor (un angstrom es una diezmilmillonésima de metro).

Organización de la memoria

La memoria es un condensador que si retiene corriente es 1 y si no es 0, se necesita un condensador por bit.

Por ejemplo 32 Mb es igual a 32000000 bytes o sea 32000000 * 8 condensadores.

Existen dos tipos de memoria: las memorias dinámicas y las memorias estáticas. Las memorias que se suelen usar en los sistemas informáticos (RAM) son dinámicas, quedando relegadas las estáticas a aplicaciones un tanto especiales como puede ser mantener datos en ellas después de haber desconectado el equipo y alimentando a estas a través de baterías.

Las memorias estáticas presentan una serie de inconvenientes con respecto a las dinámicas; por ejemplo tienen una respuesta mas lenta que las dinámicas y es mas difícil su integración al necesitar mas electrónica para realizar la célula biestable que es encarga de generar el 0 o el 1 lógico correspondiente al bit.

Otro problema lo constituye su mayor consumo, ya que su constitución interna es mas complicada que la de una memoria dinámica.

Las memorias dinámicas son las mas generalizadas y constituyen el grueso de la RAM del ordenador. Poseen respecto a la mayoría de las memorias la ventaja de contar con una mayor velocidad, mayor capacidad de almacenamiento y un menor consumo. En contra partida, presentan el inconveniente de que precisan una electrónica especial para su utilización, la función de esta electrónica es generar el refresco de la memoria. La necesidad de los refrescos de las memorias dinámicas se debe al funcionamiento de las mismas, ya que este se basa en generar durante un tiempo la información que contiene. Transcurrido este lapso la señal que contenía la célula biestable se va perdiendo. Para que no ocurra esta perdida, es necesario que antes que transcurra el tiempo máximo que la memoria puede mantener la señal se realice una lectura del valor que tiene y se recargue la misma.

Es preciso considerar que a cada bit de la memoria le corresponde un pequeño condensador al que le aplicamos una pequeña carga eléctrica y que mantienen durante un tiempo en función de la constante de descarga. Generalmente el refresco de memoria se realiza cíclicamente y cuando esta trabajando el DMA. El refresco de la memoria en modo normal esta a cargo del controlador del canal que también cumple la función de optimizar el tiempo requerido para la operación del refresco.

Posiblemente, en mas de una ocasión en la computadora aparecen errores de paridad en la memoria debido a que las memorias que se están utilizando son de una velocidad inadecuada ya que las mismas se descargan antes de poder ser refrescadas.

CONDENSADOR

Se llama condensador a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El condensador está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.

En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el condensador se encuentra cargado con una carga Q.

Los condensadores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Es por esta propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico.

Los condensadores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes condensadores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

Además son utilizados en: Ventiladores, motores de Aire Acondicionado, en Iluminación, Refrigeración, Compresores, Ordenadores, Bombas de Agua y Motores de Corriente Alterna, por la propiedad antes explicada.

Los condensadores se fabrican en gran variedad de formas y se pueden mandar a hacer de acuerdo a las necesidades de cada uno. El aire, la mica, la cerámica, el papel, el aceite y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo. Pueden estar encapsulados en baquelita con válvula de seguridad, sellados, resitentes a la humedad, polvo, aceite; con terminales para conector hembra y/o soldadura. También existen los condensadores de Marcha o Mantenimiento los cuales están encapsulados en metal. Generalmente, todos los Condensadores son secos, esto quiere decir que son fabricados con cintas de plástico metalizado, autoregenerativos, encapsulados en plástico para mejor aislamiento eléctrico, de alta estabilidad térmica y resistentes a la humedad.

Otro tipo de condensador es la botella de Leyden, el cual es un condensador simple en el que las dos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.

La botella de Leyden, uno de los condensadores más simples, almacena una carga eléctrica que puede liberarse, o descargarse, mediante una varilla de descarga (izquierda). La primera botella de Leyden se fabricó alrededor de 1745, y todavía se utiliza en experimentos de laboratorio.

Para un condensador se define su capacidad como la razón de la carga que posee uno de los conductores a la diferencia de potencial entre ambos, es decir, la capacidad es proporcional al la carga e inversamente proporcional a la diferencia de potencial: C = Q /V , medida en Farad [F].

La diferencia de potencial entre estas placas es igual a V = E"d ya que depende de la intensidad de campo eléctrico y la distancia que separa las placas. También: V =q/ " d , siendo q carga por unidad de superficie y d la diferencia entre ellas. Para un condensador de placas paralelas de superficie S por placa, el valor de la carga en cada una de ellas es q"S y la capacidad del dispositivo:

C = q " S /(q " d /)= " S / d

Siendo d la separación entre las placas.

La energía acumulada en un condensador será igual al trabajo realizado para transportar las cargas de una placa a la otra venciendo la diferencia de potencial existente ellas:

W = V"q = (q / C)"q

La energía electrostática almacenada en el condensador será igual a la suma de todos estos trabajos desde el momento en que la carga es igual a cero hasta llegar a un valor dado de la misma, al que llamaremos Q.

W = V" dq = (1/C) " (q " dq)= 1/2 (Q2/C )

Si ponemos la carga en función de la tensión y capacidad:, la expresión de la energía almacenada en un condensador será: W = 1/2 " C " V2 medida en unidades de trabajo.

Dependiendo de superficie o Área de las placas su fórmula de caacidad es

C = "A/ 4d, donde  es la constante dieléctrica.

Constantes dieléctricas: (sin unidad por ser un coeficiente)

En el caso de los procesadores y microprocesadores han sufrido varias evoluciones por supuesto en estas evoluciones han tenido mucho que ver la reducción de calor.

Se construyeron computadoras que basaban su capacidad de calculo en válvulas o relés. Los relés, son pequeños dispositivos electrónicos, similares a interruptores, pero de movimiento mecánico, realizado por una bobina, lo cual permitía tener un 0 o un 1 según estuviera el relés abierto o cerrado. Las válvulas, por su parte, eran dispositivos más avanzados y rápidos, pero que tenían en su contra, su gran fragilidad, y su alto consumo de energía eléctrica, unido a una considerable producción de calor. Pero la verdadera revolución (de la cual nació el microprocesador) fue cuando en 1947, se invento el primer transistor, dando paso a la segunda generación de computadoras. El primer ordenador basado en transistores, se construyo en Alemania, en 1957, de la mano de Siemens, el 2002, y aquí empezó una nueva era de la informática.

En este terreno Cyrix y AMD hicieron de todo, desde micros "light" que eran 386 potenciados, hasta chips muy buenos: un AMD DX4-120 (40 MHz por 3), que rinde casi como un Pentium 75, o incluso uno a 133 MHz.

Por cierto, tanto "por" acaba por generar un cuello de botella, ya que hacer pasar 100 ó 133 MHz por un hueco para 33 es complicado, lo que hace que más que "x3" acabe siendo algo así como "x2,75" (que tampoco está mal). Además, genera calor, por lo que debe usarse un disipador de cobre y un ventilador sobre el chip.

Los primeros Pentium, los de 60 y 66 MHz, eran, pura y simplemente, experimentos. Eso sí, se vendían caros como terminados, aunque se calentasen como demonios (iban a 5 V) y tuvieran un fallo en la unidad matemática. Pero Intel ya era INTEL, y podía permitírselo.

6x86 (M1) de Cyrix (o IBM)

Un avance de Cyrix. Un chip tan bueno que, a los mismos MHz, era algo mejor que un Pentium, por lo que los llamaban por su PR (un índice que indicaba cuál sería su Pentium equivalente). Según Cyrix, un 6x86 P133 iba a menos MHz (en concreto 110). El 6x86 (también llamado M1) era una elección fantástica para trabajar rápido y a buen precio con Office, WordPerfect, Windows 95... pero mala, peor que un K5 de AMD, si se trataba de AutoCAD, Microstation o, sobre todo, juegos.

Otro problema de estos chips era que se calentaban mucho, por lo que hicieron una versión de bajo voltaje llamada 6x86L (low voltage).

Pentium MMX

Se inventó un nuevo conjunto de instrucciones para micro, que para ser modernos tuvieran que ver con el rendimiento de las aplicaciones multimedia, y las llamó MMX (MultiMedia eXtensions).

La ventaja del chip es que su precio final acaba siendo igual que si no fuera MMX. Además, consume y se calienta menos por tener voltaje reducido para el núcleo del chip (2,8 V). Por cierto, el modelo a 233 MHz (66 MHz en placa por 3,5) está tan estrangulado por ese "cuello de botella" que rinde poco más que el 200 (66 por 3).

El Pentium II se afianza a la tarjeta madre a través de un soporte especial para el mismo denominado Heatsink, que lo sostiene firmemente. Este básicamente recubre todo el SEC, y posee unas extensiones a la forma de patitas de sujeción que se insertan en pequeños orificios de la tarjeta madre. Adicionalmente y muy cerca al Slot One existen cuatro ganchos también de sujeción para afianzar el Heatsink. Cabe destacar que existe un cable que brinda alimentación al ventilador del procesador.

Pentium III:

A primera vista, un Pentium III se parece muchísimo a un híbrido de Pentium II y Celeron. Por delante tiene la forma típica de cartucho negro para conectar al Slot1 que ya tenía el Pentium II... pero por el otro lado está desnudo, como el Celeron.

Intel denomina este formato S.E.C.C.2, para diferenciarlo del formato S.E.C.C. del Pentium II y del S.E.P.P del Celeron. El objetivo buscado al eliminar una de las caras de plástico es aumentar la refrigeración de los chips, tanto del micro en sí como de los chips de caché L2, ya que de esta forma el disipador de calor apoya directamente sobre ellos.

ATX:

El estandar ATX es el más moderno y el que mayores ventajas ofrece. Está promovido por Intel, aunque es una especificación abierta, que puede ser usada por cualquier fabricante sin necesidad de pagar royalties. La versión utilizada actualmente es la 2.01.

Entre las ventajas de la placa cabe mencionar una mejor disposición de sus componentes, conseguida básicamente girandola 90 grados. Permite que la colocación de la CPU no moleste a las las tarjetas de expansión, por largas que sean. Otra ventaja es un sólo conector de alimentación, que además no se puede montar al revés.

La memoria está colocada en un lugar más accesible.

La CPU está colocada al lado de la F.A. (Fuente de Alimentación) para recibir aire fresco de su ventilador.

Los conectores para los dispositivos IDE y disqueteras quedan más cerca, reduciendo la longitud de los cables y estorbando menos la circulación del aire en el interior de la caja.

Clasificación de los transductores según su temperatura

RTD: Sensor de tipo resistivo y que varía su resistencia según la temperatura. Actúa como un metal, por lo tanto tiene coeficiente de temperatura positivo.

Es un sensor muy lineal, repetibilidad alta y presentan un error del 0,1% a 1%.

La sensibilidad es 10 veces mayor a los termopares, y 10 veces menor que los termistores.

TERMISTORES: Son semiconductores sensibles a la Temperatura. Se consigue actuando sobre la movilidad de los semiconductores.

Hay de 2 tipos: NTC (coeficiente de temperatura negativo) y PTC (coeficiente de temperatura positivo).

Las NTC son incluso más alineales que las PTC, tienen una alta sensibilidad (10+ que las RTD), presenta una resistencia muy alta a la temperatura de trabajo bajo calentamiento

Son no-lineales. Presentan una disparidad de valores ente el mismo componente de la misma familia.

TERMOPAR: Son sensores generadores y se basan en el efecto Peltier y del efecto Seebeck.

Se basan en que dos metales homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, aparecerá una corriente eléctrica.

PIROELECTRICOS: Son sensores generadores. Aparecen cargas superficiales en una dirección determinada cuando el material experimenta un cambio de temperatura. Estas cargas son debidas al cambio de su polarización espontánea al variar la temperatura.

UNIONES P-N: DIODO, TRANSISTORES, dada sus características estáticas, la movilidad de los semiconductores variará a la temperatura variando la corriente que circule por ella.

En lo que se refiere a plásticos para la elaboración del cableado interno( aunque en las redes de telecomunicaciones también es externo).

TERMOPLÁSTICOS

Son materiales orgánicos sintéticos obtenidos por polimerización. Se vuelve plástico al aumentar la temperatura lo que permite aplicarlos por extrusión en caliente sobre los conductores, solidificándose después al hacer pasar el cable por un baño de agua fría.

Los termoplásticos mas utilizados como aislamientos de cables eléctricos son el cloruro de polivinil (PVC) y el polietileno.

El PVC mezclado con otra sustancia se utiliza extensamente como aislante sobre todo en cables de baja tensión, debido a su bajo costo, a su mayor resistencia a la ionización comparado con otros aislamientos orgánicos sintéticos y a poder obtenerse con mezclas adecuadas, temperaturas de operación que van desde 60º C a 150º C. Tiene el inconveniente de tener una constante dieléctrica elevada y en consecuencia pérdidas eléctricas altas, lo que limita su empleo en tensiones mas elevadas.

Sin embargo en Alemania e Italia se han desarrollado compuestos de PVC que, a la temperatura de operación del cable, tiene pérdidas dieléctricas relativamente bajas. Actualmente se fabrica cable con aislamiento de PVC para tensiones hasta de 23000 volts.

El polietileno que se obtiene por polimeración de gas etileno, tiene excelentes características como aislante eléctrico: rigidez dieléctrica comparable a la del papel impregnado y pérdidas dieléctricas menores. Tienen también una conductividad térmica mayor que el papel impregnado, lo que facilita la disipación del calor.

Las desventajas del polietileno es que puede producirse deterioro del aislamiento debido a descargas parciales producidas por ionización, su punto de fusión es bastante bajo del orden de los 110º C lo que limita la temperatura de operación de los cables aislados con polietileno a 75º C. Para mejorar las características térmicas se han desarrollado el polietileno de alta densidad y el polietileno vulcanizado o de cadena cruzada.

El polietileno de alta densidad tiene un punto de fusión de 130º C mejores cualidades mecánicas y un costo menor. El polietileno de alta densidad extruido se ha utilizado en cables hasta de 63 Kv a medida que se va perfeccionando la tecnología de la extrusión de este material su uso se extiende a tensiones mas elevadas habiendo puesto en servicio en 1980 un cable para 225 Kv.

BIBLIOGRAFIA

G.C. Loveday; ”DISEÑO DE HARDWARE ELECTRONICO; Ed. Paraninfo.

J.A. Gualda; “ELECTRONICA INDUSTRIAL”; Ed. Boxixareu

INTERNET

Encapsulados

Condensadores de marcha

c) Otros:

vacío 1

b) Líquidos

Agua 80 a 83

Glicerina (15°) 56

Petróleo 2

Alcohol etílico (0°) 28

Aceite 2

Vidrio 6 a 10

Mica 6

Papel parafinado 2

Porcelana 6 a 7

Madera 3 a 8