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Termodinámica de un refrigerador

Termodinámica de un refrigerador

Siguiendo la línea del post anterior sobre el funcionamiento de un refrigerador, ahora pasaremos a explicar de manera termodinámica el proceso de una máquina de refrigeración.

¿Qué es la termodinámica?

Es una rama de la física que se encarga de estudiar la relación entre el calor y el trabajo desde un punto de vista macroscópico; mientras que la mecánica estadística, se encarga de estudiar esta relación a niveles microscópicos.

Un refrigerador funciona haciendo pasar un material refrigerante a través de una serie de tuberías y componentes para absorber calor del interior del aparato y arrojarlo fuera de ella; todo esto con el fin de mantener los alimentos conservados.

¿Qué tipo de sistema es una máquina refrigeradora?

Una máquina refrigeradora es considerada como un sistema cerrado de forma no aislado. Ya que intercambia energía con el medio ambiente más no materia.

¿Qué leyes de la Termodinámica intervienen en el funcionamiento de un refrigerador?

1. Ley 0: equilibrio térmico

Si dos cuerpos separados están en equilibrio con un tercero, entonces todos a su vez estarán en equilibrio. Esta ley se presenta principalmente cuando se colocan los alimentos dentro del refrigerador.

Al momento de ingresar uno, este comenzará a interactuar con el ambiente del compartimiento, intercambiando energía hasta alcanzar una temperatura igual, es decir alcanzará un equilibrio térmico.

Mientras más «caliente» esté el alimento más calor será transferido al compartimiento del refrigerador. De aquí la importancia que toma la sustancia refrigerante para absorber el calor por parte de refrigerador, porque así los productos alcanzarán la temperatura deseada para su conservación.

Además, qué al colocar cosas muy calientes dentro del refrigerador, este necesitará más energía para mover ese calor y por ende mayor trabajo que, desde luego, se verá reflejado en la cuenta de luz de tu hogar o empresa.

Ley cero de la termodinámica.
Imagen 1. Ley cero de la termodinámica.

2. Segunda ley de la termodinámica: El calor fluye de lo más caliente a lo más frío

Dentro de la segunda ley de la termodinámica se encuentra el principio de Clausius: básicamente nos dice que el calor se transfiere de la parte más caliente a la parte más fría y que, si se quiere invertir este proceso se debe colocar una fuente de energía.

Te preguntarás ¿por qué es así? La respuesta simple es: naturalmente así fluye el calor. En la naturaleza no se ve lo inverso, nunca verás que el calor se transfiere de un cuerpo frío a uno con mayor temperatura de manera natural. Al menos que, introduzcamos un dispositivo como un motor que ayude a realizar esta acción a través de diferentes procesos.

Termodinámica de un refrigerador
Imagen 2. El flujo natural del calor va desde del área de mayor temperatura al área de menor temperatura.

La máquina refrigeradora perfecta no existe, pero teóricamente esta máquina tendría que transferir todo el calor del área fría y transferirla a un foco más caliente sin realizar trabajo.

Sin embargo, esto violaría la segunda ley de la termodinámica y aquí hacemos referencia a Serway y Hewett en su libro Física para ciencias e ingenierías, séptima edición:

«Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea transferir energía de manera continua mediante calor desde un objeto a otro a una mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo».

Funcionamiento

El funcionamiento del refrigerador se basa moviendo el calor desde un área fría a una con mayor temperatura, esto se realiza con la ayuda de un motor que aportará energía y consecuentemente trabajo para llevar a cabo dicho objetivo.

Termodinámica de un refrigerador funcionamiento
Imagen 3. El funcionamiento del refrigerador se basa moviendo el calor desde un área fría a una con mayor temperatura.

Dicho esto, empezamos con el compresor, este aparato es el que comprimirá el gas refrigerante aumentando su temperatura y presión, haciéndolo pasar por el condensador.

Este compresor es el que hace el papel de entregar energía al sistema para mover el calor de la parte fría a la parte caliente, sin él, no se pudiera realizar este procedimiento. Este transformará el gas a líquido por el proceso de condensación, a medida que ocurre este proceso se da un intercambio de calor con el ambiente circundante.

Al haber una diferencia de temperatura entre el condensador y el ambiente alrededor de la refrigeradora, entonces se cederá calor por motivos antes dicho: el calor fluye naturalmente desde la parte más caliente a la parte más fría.

Cuando el refrigerante va terminando su recorrido por el condensador pasará a una válvula de expansión que hará que el mismo baje su presión y por consiguiente mucho más su temperatura, llegando así al evaporador.

Cuando llega a este punto, ocurre un proceso muy parecido a lo que ocurre en el condensador. Esta vez el refrigerante al estar a una temperatura menor que el área a enfriar absorberá el calor (nuevamente por el principio de la segunda ley de la termodinámica: el calor fluye de la parte más caliente a la más fría). Y con esto el refrigerante se lleva ese calor para pasar por el compresor y repetir el ciclo.

Ciclo del funcionamiento de un refrigerador.
Imagen 4. Ciclo del funcionamiento de un refrigerador.

Conclusión

Como se puede apreciar, para acondicionar una casa o mantener los alimentos conservados se necesita que la máquina térmica haga un proceso inverso al natural.

Esto mediante el uso de un motor que proporcione energía al sistema. Y, si queremos calentar una casa en invierno, se usa el mismo proceso esta vez, extrayendo calor del ambiente y dirigiéndolo al interior de la casa.


Bibliografía

1. Flores, E., Moreno, J., y Rosales, N. (2010). Ciencias físicas o filosofía de la naturaleza. Tomo II. 5ta.ed. Panamá, Panamá: Imprenta Articsa.

2. Wolfgang, B & Westfall, G. (2014). Física para ingenierías y ciencias. 2da edición. México. Mc Graw Hill.

3. Serway, R., Jewett, J. (2008). Física para ciencias e ingenierías. Vol1. 7ma ed. México: EDITEC S.A. de C.V.


2 comentarios en “Termodinámica de un refrigerador”

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