Una nueva base física refuerza una ecuación clave para predecir fluidos industriales

Muchas de las plantas químicas, refinerías y sistemas de refrigeración modernos dependen de ecuaciones que estiman cómo cambia un fluido cuando se lo comprime, se lo calienta o se lo enfría. Esas fórmulas permiten calcular volúmenes, presiones y transiciones entre gas y líquido sin medir cada caso en el laboratorio. Un nuevo trabajo propone ahora una explicación física para una de las familias más usadas de esas herramientas, las llamadas ecuaciones cúbicas de estado, que llevan décadas funcionando bien aunque parte de su estructura se había adoptado más por conveniencia y ajuste empírico que por una justificación de fondo.

La idea central de estas ecuaciones es representar con una fórmula relativamente simple dos efectos opuestos: por un lado, el espacio que ocupan las moléculas; por otro, la atracción entre ellas. Ese equilibrio resulta clave para diseñar columnas de destilación, procesos con gas natural, circuitos de refrigeración o sistemas ligados al hidrógeno y a la captura de carbono. El problema es que algunas formas matemáticas muy utilizadas desde los años setenta daban buenos resultados sin que estuviera del todo claro por qué esa estructura era tan eficaz.

El estudio, publicado en Chemical Engineering Science, retoma una propuesta de 1913 del físico neerlandés Hugo Tetrode. En vez de pensar a los fluidos solo como partículas que se atraen y se repelen, esa idea antigua añadía una corrección asociada a vibraciones microscópicas. El autor del nuevo trabajo incorporó esa corrección a una ecuación cúbica y mostró que así aparece de forma natural un término cuadrático en la parte atractiva de la fórmula, justo el rasgo que muchas ecuaciones industriales ya venían usando.

La relevancia del resultado no está en reemplazar de inmediato todos los modelos existentes, sino en ofrecer una razón física para una receta matemática muy extendida. Según las comparaciones reportadas, la nueva ecuación se probó con datos de referencia de 76 fluidos, desde gases de interacción débil como argón y metano hasta sustancias con interacciones más intensas como agua y amoníaco. En ese conjunto, el error medio para predecir el volumen del líquido saturado fue de 4,0%, por debajo de varios modelos cúbicos conocidos que suelen servir como punto de partida en ingeniería química.

El trabajo también sugiere que uno de sus parámetros no actúa solo como un ajuste numérico. Su valor se ordenó de manera coherente con la intensidad de las interacciones moleculares, desde fluidos más simples hasta otros donde los enlaces entre moléculas son más fuertes. Si esa interpretación resiste evaluaciones posteriores, la ecuación podría resultar útil no solo por predecir mejor, sino por conectar mejor las cuentas de ingeniería con propiedades físicas reales de cada sustancia.

Eso no significa que el problema quede resuelto para todos los fluidos y todas las condiciones. Las ecuaciones de estado siguen siendo aproximaciones, y la industria suele combinarlas con correcciones adicionales o con datos experimentales cuando necesita alta precisión. Aún así, contar con una base física más clara puede ser valioso en áreas donde medir cada sustancia resulta costoso o difícil, como el almacenamiento de hidrógeno, la refrigeración avanzada o algunos procesos de captura y uso de dióxido de carbono.