Explorando las Máquinas Térmicas: Motores, Refrigeración y Bombas de Calor Eficientes

Motor Térmico: Principios Fundamentales

Un motor térmico es una máquina térmica que transforma energía térmica en trabajo mecánico mediante el aprovechamiento de la diferencia de temperatura entre una fuente de calor (foco caliente) y un sumidero de calor (foco frío).

El Ciclo de Carnot y el Motor Térmico

Según Carnot, para que un motor térmico realice un determinado trabajo (W), es necesario disponer de dos focos caloríficos a distinta temperatura. Así, el calor se intercambia de forma natural del foco caliente, que está a mayor temperatura, al foco frío, que se encuentra a menor temperatura.

• Q1: Calor (energía) aportado al sistema por el foco caliente.
• Q2: Calor que llega al foco frío. Estas son las pérdidas del sistema (máquina).
• W: Trabajo útil realizado por el sistema.

Máquina Frigorífica: Extracción de Calor

Una máquina frigorífica es una máquina térmica que permite transferir energía en forma de calor de un ambiente a otro. Esta máquina debe extraer calor (energía) de un foco frío y cederlo a un foco caliente. Para lograr esto, y teniendo en cuenta el segundo principio de la termodinámica, es necesario aportar trabajo (energía) al sistema.

Componentes y Flujos de Energía en Máquinas Frigoríficas

• Q2: Calor (energía) extraído del foco frío. El foco frío corresponde al recinto a enfriar (interior de un frigorífico, congelador, habitación, etc.).
• Q1: Calor cedido al foco caliente.
• W: Trabajo (energía) aportado al sistema.

Bomba de Calor: Versatilidad en Climatización

Una bomba de calor es una máquina frigorífica con la particularidad de poseer una válvula inversora de ciclo. Esta válvula, que forma parte del sistema, puede invertir el sentido del flujo de refrigeración, transformando el condensador en evaporador y viceversa.

Aplicaciones y Funcionamiento de la Bomba de Calor

El principio de la bomba de calor se utiliza en sistemas de climatización, dado que su ciclo reversible permite tanto extraer como introducir energía al medio (es decir, "enfriar" o "calentar") con un mismo equipo. Gracias a su versatilidad, es posible encontrar bombas de calor para calentar una piscina o para controlar el ambiente de un invernadero.

Una bomba de calor de refrigeración por compresión emplea un fluido refrigerante con un bajo punto de ebullición. Este fluido requiere energía para evaporarse y la extrae de su entorno en forma de calor.

Ciclo de Refrigeración por Compresión en Bombas de Calor

El fluido refrigerante, a baja temperatura y en estado gaseoso, pasa por un compresor que eleva su presión, aumentando así su energía interna. Posteriormente, al pasar por el intercambiador de calor llamado condensador, cede calor al foco caliente (ya que está a una temperatura superior) y cambia su estado a líquido. Después, atraviesa una válvula de expansión, donde recupera la presión inicial y se enfría bruscamente. A continuación, pasa por otro intercambiador de calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco frío (puesto que está más frío que dicho foco). El fluido, ya evaporado, regresa al compresor, repitiéndose el ciclo.

La válvula inversora de ciclo o válvula inversora de cuatro vías se encuentra a la salida