Grado 11

Grado 11Física térmicaLeyes de la Termodinámica


Refrigeradores y bombas de calor


Entender refrigeradores y bombas de calor requiere un conocimiento básico de la física térmica y las leyes de la termodinámica. Ambos dispositivos trabajan sobre los principios de mover calor de un lugar a otro. Los refrigeradores se encuentran en muchos hogares y se utilizan para mantener los alimentos fríos. Las bombas de calor se pueden ver en aplicaciones como calefacción o refrigeración de espacios en edificios. Aunque sus propósitos son diferentes, comparten principios termodinámicos.

Fundamentos de la termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que trata con el calor, el trabajo, la temperatura y el intercambio de energía entre sistemas. Está gobernada por cuatro leyes principales: la ley cero, la primera, la segunda y la tercera ley.

  • Ley cero: Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, también estarán en equilibrio térmico entre sí.
  • Primera ley: La energía no puede ser creada ni destruida, solo convertida de una forma a otra. Esto se conoce a menudo como la conservación de la energía. El cambio en la energía interna de un sistema es igual al valor obtenido al restar el calor añadido al sistema del trabajo realizado sobre él.
  • Segunda ley: La entropía total de un sistema cerrado no puede disminuir con el tiempo. La entropía es una medida del desorden; esta ley implica que las conversiones de energía nunca son 100% eficientes porque siempre se pierde algo de energía como calor desperdiciado.
  • Tercera ley: A medida que un sistema se aproxima a la temperatura cero absoluto, la entropía del sistema se aproxima a un valor constante mínimo.

Entendiendo los refrigeradores

Un refrigerador es un electrodoméstico común que utiliza un ciclo de compresión de vapor para transferir calor desde el interior del refrigerador al exterior. Este ciclo involucra un refrigerante que se evapora y condensa repetidamente, eliminando el calor del espacio interno.

Cómo funcionan los refrigeradores

Un refrigerador funciona sobre el principio de la primera y segunda ley de la termodinámica. Aquí hay un resumen de un ciclo de refrigeración general:

  1. El refrigerante es comprimido por el compresor, aumentando su temperatura y presión.
  2. El gas caliente y de alta presión se pasa a través de las bobinas del condensador ubicadas en la parte trasera o inferior del refrigerador, donde pierde su calor al aire circundante y se convierte en líquido.
  3. El refrigerante líquido luego pasa a través de una válvula de expansión (un pequeño orificio), donde se expande rápidamente y se enfría para convertirse en un gas a menor presión y temperatura.
  4. Este gas frío circula a través de las bobinas de evaporación dentro del refrigerador y absorbe el calor del interior. Este calor hace que el refrigerante vuelva a convertirse en líquido, y este ciclo se repite.

El coeficiente de rendimiento (COP) es una medida de la eficiencia de un refrigerador:

    COP = [frac{Q_c}{W}] 
    

Donde (Q_c) es el calor eliminado del espacio enfriado y (W) es el trabajo realizado por el compresor. Los valores más altos de COP indican refrigeradores más eficientes.

Evaporador Compresor Condensador válvula de expansión

Entendiendo las bombas de calor

Las bombas de calor funcionan igual que los refrigeradores, pero de manera opuesta. Están diseñadas para mover calor de un área fría a un área cálida, esencialmente "bombeando" energía en la dirección opuesta a su flujo natural. Las bombas de calor se utilizan a menudo para calentar hogares durante meses fríos o enfriarlos durante meses cálidos con una válvula reversible adicional.

Cómo funcionan las bombas de calor

Al igual que los refrigeradores, las bombas de calor también dependen de la compresión y expansión del refrigerante. Aquí hay una visión general de su ciclo operativo:

  1. Un refrigerante es comprimido por un compresor en un gas caliente y de alta presión.
  2. El gas fluye a través de las bobinas del condensador, liberando calor en la habitación, y se convierte en un líquido.
  3. Este refrigerante líquido luego pasa a través de una válvula de expansión, donde se enfría y se convierte en un gas de baja presión.
  4. El gas absorbe calor del aire exterior a través de las bobinas de evaporación y este proceso se repite.

La eficiencia de una bomba de calor durante la calefacción también se mide por su coeficiente de rendimiento (COP):

    COP = [frac{Q_h}{W}]
    

Donde (Q_h) es el calor entregado al espacio caliente. Un COP más alto significa una bomba de calor más eficiente.

fuente de calor Evaporador Compresor Condensador válvula de expansión

Aplicaciones y ejemplos

Consideremos algunos ejemplos prácticos y aplicaciones de refrigeradores y bombas de calor.

Ejemplo de refrigerador

Imagina un refrigerador que elimina 2000 julios de calor del interior por segundo, mientras que el compresor realiza 500 julios de trabajo por segundo. El coeficiente de rendimiento para un refrigerador se calcula como:

    COP = [frac{2000 , J}{500 , J} = 4]
    

Este valor de COP de 4 indica que por cada julio de trabajo realizado por el compresor, el refrigerador elimina 4 julios de calor del interior.

Ejemplo de bomba de calor

Una bomba de calor extrae 3000 J de energía del aire exterior y entrega 4500 J de energía en el interior, con 1500 J de trabajo realizado por la bomba. Su coeficiente de rendimiento durante la calefacción es:

    COP = [frac{4500 , J}{1500 , J} = 3]
    

Por lo tanto, esta bomba de calor entrega 3 julios de energía de calefacción al interior del hogar por cada julio de trabajo que realiza.

Vinculación con la segunda ley de la termodinámica

Tanto los refrigeradores como las bombas de calor son ejemplos clásicos de la segunda ley de la termodinámica. Esta ley establece que el calor no puede fluir naturalmente de un reservorio frío a un reservorio caliente sin que se realice trabajo. Esto es lo opuesto a la dirección natural de la transferencia de energía.

Por ejemplo, en un refrigerador, se extrae calor del interior frío y se libera en el ambiente cálido de la habitación. Este proceso ocurre porque el compresor realiza trabajo, lo que impulsa el ciclo.

De manera similar, las bombas de calor extraen calor del aire frío exterior y lo transfieren al interior. A pesar de extraer calor de temperaturas más bajas, una bomba de calor logra esta transferencia al comprimir el refrigerante y utilizar el aporte de energía.

Impacto ambiental

Tanto los refrigeradores como las bombas de calor utilizan refrigerantes, y, históricamente, algunos de ellos han sido perjudiciales para el medio ambiente. Algunos de los químicos usados como refrigerantes pueden contribuir al calentamiento global y la disminución de la capa de ozono. Como resultado, ahora se utilizan alternativas más amigables con el medio ambiente.

La eficiencia de estos dispositivos también juega un papel importante en el consumo de energía. Un COP más alto indica un menor consumo de energía para la misma transferencia de calor, lo cual es beneficioso tanto para el costo como para el impacto ambiental.

Conclusión

Los refrigeradores y las bombas de calor son aplicaciones fascinantes de los principios termodinámicos. Destacan las complejidades involucradas en la transferencia de calor y las ingeniosas formas en que los humanos han utilizado estas propiedades para mejorar la comodidad en la vida cotidiana.

Al entender las leyes de la termodinámica y los mecanismos detrás de estos dispositivos, podemos apreciar su funcionalidad y continuar innovando en estos sistemas esenciales.


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