Máquina frigorífica de Carnot y bomba de calor: principios y funcionamiento

Resumen

El documento explica el funcionamiento de las máquinas frigoríficas basadas en el ciclo reversible de Carnot, describiendo sus cuatro etapas: compresión adiabática, condensación isotérmica, expansión adiabática y evaporación isotérmica. Después aplica los principios primero y segundo de la termodinámica para calcular el trabajo y la eficiencia. Por último, presenta la bomba de calor como un dispositivo análogo que busca ceder el máximo calor al foco caliente y define su coeficiente de amplificación calorífica.

Puntos clave

Una máquina frigorífica de Carnot consta de condensador, evaporador, compresor y expansor.
Etapas del ciclo: compresión adiabática, condensación isotérmica, expansión adiabática y evaporación isotérmica.
Según el primer principio, Q1 = W + Q2, donde Q1 es el calor cedido, Q2 el absorbido y W el trabajo.
Con temperaturas constantes en los focos se cumple Q1/T1 = Q2/T2, y el trabajo mínimo es W = Q2·((T1/T2) - 1).
La eficiencia o coeficiente de amplificación frigorífica (ε) es el cociente entre el calor absorbido y el trabajo, y suele ser mayor que la unidad.
La bomba de calor funciona como una máquina frigorífica, pero su objetivo es ceder el máximo calor Q1 al foco caliente.
El coeficiente de amplificación calorífica de la bomba de calor es ε = Q1/W = 1/(1 - Q2/Q1).

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Máquina Frigorífica de Carnot: Principios y Funcionamiento

El principio de funcionamiento de los circuitos frigoríficos se basa en el ciclo reversible de Carnot. Una instalación frigorífica que funcionase de acuerdo con este ciclo constaría de los siguientes elementos básicos: condensador, evaporador, compresor y expansor.

Etapas del Ciclo de Carnot

Compresión Adiabática: El compresor, movido por medio de un motor, aumenta de forma adiabática la presión del fluido refrigerante de P2 a P1, y su temperatura de T2 a T1.
Condensación Isotérmica: El fluido llega al condensador. Por medio de agua fría circulando a contracorriente, este se licúa, cediendo una cantidad de calor Q1 al agua de refrigeración, que se calienta.
Expansión Adiabática: En el expansor, el líquido enfriado se expansiona adiabáticamente, disminuyendo su presión y temperatura.
Evaporación Isotérmica: El fluido llega al evaporador, donde se vaporiza casi en su totalidad a presión constante.

En virtud del Primer Principio de la Termodinámica, el calor Q1 cedido es igual a la suma del calor absorbido Q2 más el trabajo (W): Q1 = W + Q2.

De acuerdo con el Segundo Principio de la Termodinámica, si los dos focos se encuentran a temperatura constante y el ciclo de Carnot opera en sentido inverso a las agujas del reloj, se verifica que: Q1/T1 = Q2/T2.

Estas dos ecuaciones permiten obtener el trabajo mínimo (W):

W = Q1 - Q2 = Q2 * (T1/T2) - Q2 = Q2 * ((T1/T2) - 1)

Por lo que el rendimiento de una máquina frigorífica vendrá dado por el coeficiente entre el calor absorbido y el trabajo utilizado. Por regla general, este rendimiento es mayor a la unidad. Por este motivo, a épsilon (ε) se le denomina eficiencia, efecto frigorífico o coeficiente de amplificación frigorífica.

Bomba de Calor: Funcionamiento y Eficiencia

Existe la posibilidad de utilizar un dispositivo con la finalidad de ceder la máxima cantidad de calor Q1 a un sistema que actúa como foco caliente, a la temperatura T1, absorbiendo calor del ambiente que se encuentra a una temperatura inferior (T2). En este caso, el dispositivo recibe el nombre de bomba de calor.

El funcionamiento de una bomba de calor es completamente análogo al de una máquina frigorífica. El agua fría que circula por una conducción se enfría en el evaporador, cediendo una cantidad de calor Q2 al fluido, el cual se evapora. El vapor llega al condensador y se licúa, cediendo un calor Q1 al agua caliente que circula a través de un sistema de radiadores.

En virtud del Primer Principio de la Termodinámica, se cumple que: Q1 = Q2 + W.

Como en la bomba de calor lo que interesa es que la cantidad de calor Q1 cedido al foco caliente sea la máxima, se define el coeficiente de funcionamiento o coeficiente de amplificación calorífica (ε) como:

ε = 1/η = Q1/W = Q1/(Q1 - Q2) = 1/(1 - (Q2/Q1))

Siendo eta (η) el rendimiento de la bomba de calor.

Preguntas frecuentes

¿Qué elementos básicos tiene una máquina frigorífica de Carnot?

Una instalación que funciona según el ciclo reversible de Carnot consta de condensador, evaporador, compresor y expansor. El compresor, movido por un motor, eleva la presión y la temperatura del fluido refrigerante.

¿Qué diferencia hay entre una máquina frigorífica y una bomba de calor?

Ambas funcionan de forma análoga, pero en la máquina frigorífica interesa absorber calor del foco frío, mientras que en la bomba de calor interesa ceder la máxima cantidad de calor Q1 al foco caliente, absorbiendo calor del ambiente a menor temperatura.

¿Qué relación establece el primer principio de la termodinámica en estos ciclos?

Según el primer principio, el calor cedido Q1 es igual a la suma del calor absorbido Q2 más el trabajo W, es decir, Q1 = W + Q2.