Màquines tèrmiques consumidores d’energia mecànica

Las máquinas térmicas consumidoras de energía mecánica son dispositivos que transfieren energía térmica desde un foco frío hacia un foco caliente mediante el consumo de trabajo mecánico. Estas máquinas, como los refrigeradores y las bombas de calor, permiten superar la transferencia natural de calor dictada por el segundo principio de la termodinámica. Son ampliamente utilizadas en aplicaciones domésticas e industriales.

Estas máquinas operan entre dos fuentes térmicas a diferentes temperaturas:

• Foco frío (a temperatura TcT_cTc​): Del que se extrae el calor QcQ_cQc​.
• Foco caliente (a temperatura ThT_hTh​): Al que se cede el calor QhQ_hQh​.

El funcionamiento se basa en un esquema energético como el mostrado a continuación:W+Qc=QhW + Q_c = Q_hW+Qc​=Qh​

Donde:

• WWW es el trabajo mecánico suministrado.
• QcQ_cQc​ es el calor extraído del foco frío.
• QhQ_hQh​ es el calor cedido al foco caliente.

3.1 La máquina frigorífica o refrigerador

El refrigerador utiliza un circuito cerrado con un fluido criogénico que se somete a un ciclo de compresión y expansión. Este fluido tiene propiedades específicas, como una alta entalpía de vaporización y una presión de evaporación superior a la atmosférica. El ciclo termodinámico básico del refrigerador se puede aproximar al de una máquina de Carnot funcionando en sentido inverso.

Ciclo termodinámico del refrigerador

1. Compresión adiabática (de 1 a 2):
   • El compresor comprime el gas procedente del evaporador, aumentando su presión y temperatura.
   • No hay transferencia de calor (Q=0Q = 0Q=0).
   • La relación entre presiones antes y después de la compresión define el trabajo realizado por el compresor: Wc=nCv(T2−T1)W_c = nC_v(T_2 – T_1)Wc​=nCv​(T2​−T1​)
2. Condensación isotérmica (de 2 a 3):
   • El gas comprimido pasa al condensador, donde se licua y cede su calor latente de vaporización (QhQ_hQh​) al foco caliente.
   • El proceso es isotérmico, manteniéndose ThT_hTh​.
   Qh=m⋅hfgQ_h = m \cdot h_{fg}Qh​=m⋅hfg​
3. Expansión adiabática (de 3 a 4):
   • El fluido líquido se expande en el tubo capilar o válvula de expansión, disminuyendo su presión y temperatura.
   • No se intercambia calor (Q=0Q = 0Q=0).
4. Evaporación isotérmica (de 4 a 1):
   • El fluido a baja presión pasa al evaporador, donde absorbe calor (QcQ_cQc​) del foco frío, provocando su evaporación completa.
   • La temperatura se mantiene constante en TcT_cTc​.
   Qc=m⋅hfgQ_c = m \cdot h_{fg}Qc​=m⋅hfg​

Representación en el diagrama pVpVpV:

El ciclo frigorífico se representa en un diagrama pVpVpV (presión vs volumen) como sigue:

• De 1 a 2: Compresión adiabática.
• De 2 a 3: Condensación isotérmica.
• De 3 a 4: Expansión adiabática.
• De 4 a 1: Evaporación isotérmica.

Componentes del refrigerador

• Compresor: Realiza la compresión del gas, consumiendo trabajo WcW_cWc​.
• Condensador: Disipa el calor al exterior QhQ_hQh​.
• Válvula de expansión o tubo capilar: Reduce la presión del fluido.
• Evaporador: Absorbe el calor del foco frío QcQ_cQc​.

Eficiencia de una máquina frigorífica

El rendimiento de un refrigerador se mide mediante el coeficiente de rendimiento (COP), que expresa la cantidad de calor extraído del foco frío por unidad de trabajo mecánico:COP=QcWCOP = \frac{Q_c}{W}COP=WQc​​

Teniendo en cuenta la relación energética W=Qh−QcW = Q_h – Q_cW=Qh​−Qc​, también se puede expresar como:COP=TcTh−TcCOP = \frac{T_c}{T_h – T_c}COP=Th​−Tc​Tc​​

Este rendimiento depende de las temperaturas de los focos TcT_cTc​ y ThT_hTh​: a menor diferencia entre ellas, mayor es el COP.