Capitulo 2: Principios y términos termodinámicos básicos

PRINCIPIOS Y TÉRMINOS TERMODINÁMICOS BÁSICOS

En el capitulo 1: conceptos básicos de refrigeración, estudiamos algunos conceptos, la clasificación de los sistemas de refrigeración y los elementos presentes en un proceso de refrigeración. En este capítulo entramos en terminología mas específica junto con los principios de refrigeración.

Principios y términos termodinámicos básicos

La termodinámica es la parte de la física que estudia los intercambios de calor y de trabajo que se producen entre un sistema y su entorno que origina variaciones en la energía interna del mismo. Veremos aquí los principios y términos relacionados con la acción de la refrigeración la cual está basada en la transferencia de calor entre cuerpos.

Calor

De manera cotidiana, se manejan los conceptos calor y temperatura como iguales, pero no lo son. Aunque tienen relación, la temperatura es la magnitud de la energía interna de un cuerpo y el calor es la energía transferida entre dos cuerpos.

La relación entre el calor y la temperatura la podemos ver en este caso. Si acercamos dos cuerpos que están a diferentes temperaturas, se transfiere energía en forma de calor del objeto de mayor temperatura al de menor temperatura. Si la diferencia de temperatura entre los dos cuerpos es alta, el calor transmitido también será alto.

Como el calor se transmite a través del aire, el agua y simplemente por contacto, el objetivo de la refrigeración será disminuir la temperatura de estos medios para que el calor de los alimentos, de una sala de conferencias o de nuestro cuerpo cuando nos bañamos, pueda salir fácilmente.

Transferencia de Calor

Estas situaciones hacen necesario el conocimiento de los principios físicos relacionados con la temperatura de los cuerpos. Variables como la presión y el volumen de un sistema afectan la temperatura y si una de estas variables cambia tiene un efecto directo en el calor que puede ser transmitido.

PREGUNTA: ¿Qué sucede al acercar dos cuerpos que están a diferente temperatura?

RESPUESTA: Se transfiere calor del objeto de mayor temperatura al de menor temperatura

TÉRMINOS APLICADOS EN TERMODINÁMICA

Trabajo. El trabajo se puede describir como la aplicación de una fuerza para vencer cierta resistencia a lo largo de cierta distancia. El trabajo invertido se calcula multiplicando la fuerza aplicada (Kg.) por la distancia (m).

El trabajo se puede ver aplicado en la acción del compresor el cual está compuesto por pistones, bielas, anillos, cigüeñal y otras partes que deben moverse de tal manera que el refrigerante en forma de vapor pueda desplazarse para ser comprimido y enviado a través del sistema.

Energía. La energía se puede describir como la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo. La energía producida en el compresor es transferida al refrigerante aumentando su presión y energía cinética. La característica principal de la energía es su capacidad de cambiar de forma, por ejemplo: energía térmica, energía lumínica, energía mecánica, energía eléctrica, energía química, energía nuclear.

En los sistemas de refrigeración las formas de energía que nos interesan son:

* Energía térmica, que se ocupa de los procesos de transferencia de calor, que ocurren en el área de los circuitos de refrigeración y aire acondicionado. La energía térmica se mide generalmente con unidades de Kcal. (1 Kcal. = Energía Térmica necesaria para elevar la temperatura de 1 kilogramo de agua en 1ºC).

* Energía mecánica, que se ocupa de las presiones, que ocurren en el circuito de refrigeración y de la energía necesaria para hacer operar el compresor de A/A. La energía mecánica se mide generalmente en kilovatios (kW) o en unidades de HP (1 HP=746 W=0.746KW).

* Energía Eléctrica, la cual se ocupa de los sistemas eléctricos y electrónicos. La energía eléctrica se mide generalmente en kilovatios (kW).

Manómetro

Presión. La presión es una forma de energía mecánica, que se desarrolla cuando un fluido o un gas aplican una fuerza en una tubería o en la pared de un depósito. Las unidades generalmente usadas para medir la presión son los (bars). 1 bar = 0.987 Atmósferas (una fuerza de 1Kg. aplicada sobre un área de 1 cm2).

El tubo capilar es uno de los elementos del sistema de refrigeración que tiene acción directa sobre la presión del refrigerante que circula. El funcionamiento del tubo capilar está determinado por 3 presiones fundamentales:

* La presión del refrigerante que ser transforma durante el recorrido por el tubo capilar.

* La presión del refrigerante a la salida del tubo con la cual llega hasta el evaporador.

* La presión con la que llega el refrigerante al ingresar

La diferencia de diámetros en los extremos del tubo capilar provoca la disminución de la presión del gas y la temperatura, de manera que pueda dirigirse hacia el evaporador para el intercambio de calor.

Temperatura. La temperatura se puede definir como la energía térmica de cierto cuerpo. Se han determinado dos puntos de referencia para las mediciones de la temperatura:

  • la energía térmica del agua en su punto de congelación
  • la energía térmica de agua en su punto de ebullición

Para las mediciones de temperatura utilizamos generalmente dos sistemas:

* El sistema Anglo-Sajón medido en la escala Fahrenheit (° F).

* El sistema Métrico medido en la escala de Celcius (°C).

Calor Latente. Es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) este proceso sucede en el evaporador o de líquido a vapor (calor latente de vaporización) este proceso sucede en el compresor.

Cuando se aplica calor al hielo, va ascendiendo su temperatura hasta que llega a 0°C, a partir de entonces, aun cuando se le siga aplicando calor, la temperatura no cambia hasta que se haya fundido del todo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo.

Una vez fundido el hielo la temperatura volverá a subir hasta llegar a 100°C; desde ese momento se mantendrá estable hasta que se evapore toda el agua. Esta cualidad se utiliza en la cocina, en refrigeración, en bombas de calor y es el principio por el que el sudor enfría el cuerpo.

Entalpía. Es una magnitud que expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que tal sistema puede cambiar con su entorno. Por ejemplo, en un cambio de fase de refrigerante de líquido a vapor (evaporización), el cambio de entalpía del sistema es el calor latente.

Este concepto puede verse aplicado en los refrigeradores y en los equipos de aire acondicionado, en donde los objetos guardados allí disminuyen su temperatura cediendo energía hacia el fluido refrigerante a través de un elemento llamado evaporador, propiciando su cambio de estado de líquido a vapor y este a su vez cede la energía absorbida en forma de calor al medio exterior (el aire que nos rodea) través de otro elemento llamado condensador.

Entalpía Específica. Se refiera a la energía que posee una unidad de masa. Este término es muy importante en el sistema de refrigeración porque permite calcular el efecto neto de refrigeración (calor que absorbe el refrigerante por kilogramo de masa).

La entalpia específica se calcula en el evaporador tomando los datos de presión y temperatura del refrigerante al entrar y salir de él y se comparan con la tabla de datos correspondiente a cada refrigerante (las cuales están predeterminadas).

La entalpía específica se determina de la siguiente manera:

Entropía. La entropía representa la cantidad de energía preservada en una sustancia. Este principio es fundamental para medir la eficiencia de un sistema de refrigeración real donde se presentan pérdidas de energía. En el ciclo ideal de refrigeración no se presentan pérdidas de energía y se dice que el sistema es perfecto o ideal, pero en el ciclo real que se da en los sistemas de refrigeración se presentan pérdidas de energía en el funcionamiento.

Una de las características de la entropía es que a mayor temperatura menor es la entropía y viceversa, teniendo en cuenta que el calor es una manifestación de la temperatura, uno de los componentes del sistema donde más podemos encontrar entropía es en el compresor el cual recibe energía eléctrica y la expulsa por el calentamiento generado por la fricción de sus partes en el proceso de compresión del refrigerante.

La entropía se determina como sigue:

Carga Térmica. La carga térmica en un sistema de refrigeración es el calor producido por el elemento a refrigerar. Éste es uno de los parámetros principales que se toman en consideración en el diseño de los sistemas de aire acondicionado por ejemplo.

Transmisión de calor. El calor puede transmitirse de 3 formas: Conducción, Convección y Radiación.

* Conducción: La única forma de transferencia de calor en los sólidos es la conducción. Si se calienta un extremo de un cuerpo, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. Se considera que la conducción de calor en los sólidos se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura.

* Convección: La convección se clasifica en natural y forzada. En la convección forzada se obliga al fluido a fluir mediante medios externos, como un ventilador o una bomba. En la convección natural el movimiento del fluido es debido a causas naturales, como el efecto de flotación, el cual se manifiesta con la subida del fluido caliente y el descenso del fluido frio.

* Radiación: La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que están separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.

Relación Presión-Temperatura

En el siguiente esquema se ilustran cuatro casos donde la variación de la temperatura o la presión se afectan de manera proporcional

Variación de la Temperatura y la Presión

1. La lata fría tiene en su interior una bebida a una presión menor a la atmosférica.

2. Cuando inflamos un balón, nuestra mano siente como aumenta la temperatura del inflador cuando está aumentando la presión.

3. Cuando cocinamos alimentos en una olla a presión, a medida que aumenta la temperatura, la presión aumenta.

4. Cuando las personas suben una montaña experimentan que a medida que la presión disminuye, la temperatura también disminuye.

Función global del sistema de refrigeración

La evaporación es el proceso físico por el cual una sustancia en estado líquido pasa al estado gaseoso, tras haber adquirido energía suficiente. Este fenómeno lo podemos ver cuando en una plancha de vapor el agua en estado líquido actúa como refrigerante, absorbiendo el calor transmitido a la ropa. El resultado de este proceso es que el calor de la plancha se transmite al agua y se produce vapor. Podemos concluir que cada vez que haya evaporación del refrigerante, se está produciendo el efecto de refrigeración.

En el siguiente actigrama se ilustra lo que sucede antes y después con un objeto a alta temperatura cuando se utiliza un sistema de refrigeración por evaporación

Función global de la evaporación del Refrigerante

El refrigerante a baja presión al evaporarse, extrae el calor y disminuye la temperatura del objeto.

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