Un estudi elaborat per investigadors del Centre Internacional de Mètodes Numèrics en Enginyeria (CIMNE) i de la Swansea University ha conclòs que els models constitutius poden complir la primera i la segona llei de la termodinàmica, però ser incompatibles amb la tercera. La recerca, publicada a la revista científica Journal of the Mechanics and Physics of Solids, analitza la influència de la calor específica en la descripció matemàtica de materials sotmesos a deformacions extremes i canvis de temperatura.
L'article, titulat Finite strain thermoelasticity and the Third Law of thermodynamics, està signat pel professor Javier Bonet, director general i investigador del CIMNE, i pel doctor Antonio J. Gil, professor del Zienkiewicz Institute for Modelling, Data and AI de la Swansea University. Els models constitutius són fonamentals per simular comportaments termomecànics complexos, ja que descriuen com els materials responen a condicions externes com la tensió, la deformació i la temperatura.
Bonet i Gil demostren matemàticament que els supòsits habituals sobre la calor específica constant o dependent només de la temperatura imposen restriccions importants quan es considera la tercera llei de la termodinàmica, podent comprometre la coherència dels models. La tercera llei estableix que l'entropia tendeix a zero quan la temperatura s'aproxima al zero absolut (0 K), però els models convencionals amb calor específica positiva i constant prediuen una entropia que tendeix a l'infinit negatiu.
«La tercera llei imposa restriccions a l’acoblament termomecànic que els models constitutius convencionals no sempre tenen en compte», explica Bonet. Com a alternativa, els investigadors proposen un marc constitutiu analític on la calor específica s'expressa com una combinació multiplicativa de funcions de temperatura i deformació. Aquesta formulació compleix la tercera llei i manté la coherència amb la primera i la segona, incorporant també la policonvexitat per a l'estabilitat del model.
Aquestes conclusions podrien tenir implicacions en la simulació de materials com els similars al cautxú, amb aplicacions en sectors com l'automoció, la construcció i la salut. També desenvolupen formulacions per representar el reblaniment tèrmic i la fusió, rellevants per a enginyeria aeroespacial, energia nuclear i fabricació additiva. Bonet assenyala que una descripció termodinàmica més completa milloraria la coherència física dels models.
Tot i que la recerca és teòrica i requereix validació experimental, estableix les bases per a futures investigacions en simulació de materials, amb possibles repercussions en la computació avançada, processos industrials i energies netes.
