Ciclo Frigorífico

Introducción

Transformación isobárica: Se expande a presión constante.
Transformación isocórica: Aumenta presión y temperatura a volumen constante.
Transformación isotérmica: Disminuye volumen a temperatura constante.
Transformación adiabática: Q=0, aumenta presión, disminuye volumen, aumenta temperatura.
Transformación isoentrópica: Entropía constante.

Problemática del Sistema Ideal

Problemas: El compresor no puede aspirar la mezcla líquido-vapor y el expansor disminuye el trabajo requerido, siendo un equipo ideal.

Solución 1: Reemplazar el expansor con un elemento estrangulador (tubitos capilares o válvula reguladora) que reduce la presión a entalpía constante (efecto Joule-Thomson).

Solución 2: Intercalar un separador de líquido-gas entre el evaporador y el compresor para asegurar que solo ingrese vapor saturado seco.

Fundamentos Termodinámicos

Termodinámica: Estudia los fenómenos relacionados con el cambio de energía por transmisión de calor (Q) y trabajo (W), como la producción de energía eléctrica o el ciclo frigorífico. Se basa en parámetros termodinámicos (p, v, t) y diagramas p-v, partiendo de puntos en equilibrio termodinámico.

Máquina térmica: Sistema que aplica los principios de la termodinámica, transformando energía térmica en energía mecánica. Absorbe calor de una fuente caliente y cede a una fría.

Primer Principio de la Termodinámica

Principio de conservación de la energía: Q = W + ΔU (calor = trabajo + variación de energía interna).

Segundo Principio de la Termodinámica

El calor fluye espontáneamente de cuerpos calientes a fríos. Los procesos irreversibles (naturales) se rigen por el enunciado de Clausius: el calor no fluye espontáneamente de una fuente fría a una caliente. El enunciado de Kelvin-Planck: es imposible un proceso cíclico cuyo único resultado sea absorber calor y transformarlo en trabajo.

Comparación: El primer principio no restringe la conversión de calor en trabajo, solo establece la conservación de la energía. El segundo principio establece las condiciones para el uso del calor.

Ciclo Frigorífico

Ciclo a compresión que transfiere calor de una fuente fría a una caliente. Tiene dos finalidades:

• Bomba de calor: Entrega calor a una fuente caliente.
• Máquina frigorífica: Mantiene baja temperatura en la fuente fría.

Entropía (ΔS = Q/T): Mide el desorden molecular y la irreversibilidad de los procesos.

Entalpía (H = U + PV): Variación de energía absorbida o cedida por un sistema.

Coeficiente de efecto frigorífico (Ef = Qf/w): Relación entre el calor extraído (Qf) y el trabajo suministrado (w).

Ciclo de Carnot

Ciclo reversible ideal con dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas. Permite obtener el máximo rendimiento entre dos fuentes a temperaturas t1 y t2.

Teorema de Carnot: Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes tienen el mismo rendimiento.

Fluido Frigorígeno

Sustancia condensable y evaporable a las temperaturas requeridas (Tc y Tf). Debe operar a presiones mayores que la atmosférica, no ser tóxico y tener presiones de cambio de fase no muy elevadas.

Etapas del Ciclo Frigorífico

Transformación 2-1 (Condensación): Vapor saturado (punto 2) pasa a líquido saturado (punto 1) a temperatura y presión constantes en un condensador.

Transformación 1-4 (Expansión adiabática): El fluido disminuye presión, se evapora parcialmente y disminuye temperatura, usando una válvula reguladora.

Transformación 4-3 (Evaporación): El fluido se vaporiza parcialmente en un evaporador, extrayendo calor del lugar.

Transformación 3-2 (Compresión adiabática): El fluido aumenta temperatura y presión en un compresor (puede ser de doble etapa). Se usa un separador de líquido antes del compresor.