Latermodinmica(delgriegoo, termo, que significa calor1y ,dnamis,
que significa fuerza)2es la rama de lafsicaque describe los estados
deequilibrioa nivel macroscpico.3Constituye unateora fenomenolgica,
a partir derazonamientos deductivos, que estudia sistemas reales,
sinmodelizary sigue un mtodo experimental.4Los estados de
equilibrio son estudiados y definidos por medio demagnitudes
extensivastales como laenerga interna, laentropa, elvolumeno la
composicinmolardel sistema,5o por medio de magnitudes no-extensivas
derivadas de las anteriores como latemperatura,presiny elpotencial
qumico; otras magnitudes tales como laimanacin, lafuerza
electromotrizy las asociadas con la mecnica de losmedios
continuosen general tambin pueden ser tratadas por medio de la
termodinmica.6La termodinmica ofrece un aparato formal aplicable
nicamente aestados de equilibrio,7definidos como aquel estado hacia
el que todo sistema tiende a evolucionar y caracterizado porque en
el mismo todas las propiedades del sistema quedan determinadas por
factores intrnsecos y no por influencias externas previamente
aplicadas.8Tales estados terminales de equilibrio son, por
definicin, independientes del tiempo, y todo el aparato formal de
la termodinmica -todas las leyes y variables termodinmicas-, se
definen de tal modo que podra decirse que un sistema est en
equilibrio si sus propiedades pueden ser descritas consistentemente
empleando la teora termodinmica.9Los estados de equilibrio son
necesariamente coherentes con los contornos del sistema y las
restricciones a las que est sometido. Por medio de los cambios
producidos en estas restricciones (esto es, al retirar limitaciones
tales como impedir la expansin del volumen del sistema, impedir el
flujo de calor, etc), el sistema tender a evolucionar de un estado
de equilibrio a otro;10comparando ambos estados de equilibrio, la
termodinmica permite estudiar los procesos de intercambio de masa y
energa trmica entre sistemas trmicos diferentes.Como ciencia
fenomenolgica, la termodinmica no se ocupa de ofrecer una
interpretacin fsica de sus magnitudes. La primera de ellas,
laenerga interna, se acepta como una manifestacin macroscpica de
las leyes de conservacin de la energa a nivel microscpico, que
permite caracterizar el estado energtico del sistema
macroscpico.11El punto de partida para la mayor parte de las
consideraciones termodinmicas son los que postulan que la energa
puede ser intercambiada entre sistemas en forma de calor otrabajo,
y que slo puede hacerse de una determinada manera. Tambin se
introduce una magnitud llamadaentropa,12que se define como aquella
funcin extensiva de la energa interna, el volumen y la composicin
molar que toma valores mximos en equilibrio: el principio de
maximizacin de la entropa define el sentido en el que el sistema
evoluciona de un estado de equilibrio a otro.13Es lamecnica
estadstica, ntimamente relacionada con la termodinmica, la que
ofrece una interpretacin fsica de ambas magnitudes: la energa
interna se identifica con la suma de las energas individuales de
los tomos y molculas del sistema, y la entropa mide el grado
deordeny el estado dinmico de los sistemas, y tiene una conexin muy
fuerte con lateora de informacin.14En la termodinmica se estudian y
clasifican las interacciones entre diversos sistemas, lo que lleva
a definir conceptos comosistema termodinmicoy su contorno. Un
sistema termodinmico se caracteriza por sus propiedades,
relacionadas entre s mediante lasecuaciones de estado. stas se
pueden combinar para expresar laenerga internay lospotenciales
termodinmicos, tiles para determinar las condiciones de equilibrio
entre sistemas y los procesos espontneos.Con estas herramientas, la
termodinmica describe cmo los sistemas responden a los cambios en
su entorno. Esto se puede aplicar a una amplia variedad de ramas de
lacienciay de laingeniera, tales comomotores,cambios de
fase,reacciones qumicas,fenmenos de transporte, e inclusoagujeros
negros.ndice[ocultar] 1Historia de la termodinmica 2Leyes de la
termodinmica 2.1Principio cero de la termodinmica 2.2Primera ley de
la termodinmica 2.3Segunda ley de la termodinmica 2.3.1Enunciado de
Clausius 2.3.2Enunciado de KelvinPlanck 2.3.3Otra interpretacin
2.4Tercera ley de la termodinmica 2.5Sistema 2.6Medio externo
3Equilibrio trmico 3.1Variables termodinmicas 3.2Estado de un
sistema 3.3Equilibrio trmico 3.4Foco trmico 3.5Contacto trmico
4Procesos termodinmicos 5Rendimiento termodinmico o eficiencia
5.1Teorema de Carnot 6Diagramas termodinmicos 7Vase tambin
8Referencias 8.1Notas 8.2Bibliografa 9Enlaces externosHistoria de
la termodinmica[editar]La historia de la termodinmica como
disciplina cientfica generalmente comienza conOtto von
Guerickequien, en 1650, construy y dise la primerabomba de vacoy
demostr un vaco usando sushemisferios de Magdeburgo. Guericke fue
impulsado a hacer el vaco con el fin de refutar la suposicin de
Aristteles que "la naturaleza aborrece el vaco". Poco despus de
Guericke, el fsico y el qumicoRobert Boyleestudi y mejor los diseos
de Guericke y en 1656, en coordinacin con el cientficoRobert Hooke,
construy una bomba de aire. Con esta bomba, Boyle y Hooke
observaron una correlacin entre la presin, temperatura y volumen.
Con el tiempo, se formularon laley de Boyle, indicando que para un
gas a temperatura constante, la presin y el volumen son
inversamente proporcionales y otrasleyes de los gases.En 1679, con
base en estos conceptos, un asociado de Boyle,Denis Papinconstruy
undigestor de vapor, que era un recipiente cerrado con una tapa
hermtica en el que el vapor confinado alcanzaba una alta presin,
aumentando elpunto de ebulliciny acortando el tiempo de coccin de
los alimentos.En 1697, basados en diseos de Papin, el
ingenieroThomas Saveryconstruy el primermotor trmico, seguido
porThomas Newcomenen 1712. Aunque estos primeros motores eran
toscos y poco eficiente, atrajeron la atencin de los cientficos ms
destacados de la poca.En1733,Bernoullius argumentos estadsticos,
junto con lamecnicaclsica, para extraer resultados de
lahidrodinmica, iniciando lamecnica estadstica.En 1781 los
conceptos decapacidad calorficaycalor latente, fueron desarrollados
por el profesorJoseph Blackde la Universidad de Glasgow, dondeJames
Watttrabaj como fabricante de instrumentos. Watt consult con Black
en las pruebas de lamquina de vapor, pero fue Watt quien concibi la
idea del condensador externo, aumentando grandemente la eficiencia
de la mquina de vapor.En 1783,Lavoisierpropone lateora del
calrico.En1798Benjamin Thompson, conde de Rumford, demostr la
conversin del trabajo mecnico encalor.
Sadi Carnot, considerado como el "padre de la termodinmica
"Sobre la base de todo este trabajo previo,Sadi Carnot, el "padre
de la termodinmica ", public en 1824Reflexiones sobre la energa
motriz del fuego, un discurso sobre la eficiencia trmica, la
energa, la energa motriz y el motor. El documento describe las
relaciones bsicas energticas entre lamquina de Carnot, elciclo de
Carnoty energa motriz, marcando el inicio de la termodinmica como
ciencia moderna.El primer libro de texto sobre termodinmica fue
escrito en 1859 porWilliam Rankine, quien originalmente se form
como un fsico y profesor de ingeniera civil y mecnica en la
Universidad de Glasgow. La primera y segunda leyes de la
termodinmica surgieron simultneamente en la dcada de 1850,
principalmente por la obras deGermain Henri Hess, William
Rankine,Rudolf Clausius,James Prescott JouleyWilliam Thomson(Lord
Kelvin).Los fundamentos de la termodinmica estadstica se
establecieron por los fsicos comoJames Clerk Maxwell,Ludwig
Boltzmann,Max Planck,Rudolf Clausius,Johannes van der Waalsy J.
Willard Gibbs.Desde 1873 hasta el 76, el fsico matemtico
estadounidenseJosiah Willard Gibbspublic una serie de tres
artculos, siendo la ms famosaSobre el equilibrio de las sustancias
heterogneas. Gibbs demostr cmo los procesos termodinmicos,
incluyendo reacciones qumicas, se podrananalizar grficamente.
Mediante el estudio de la energa, la entropa, volumen, potencial
qumico, la temperatura y la presin del sistema termodinmico, se
puede determinar si un proceso se producen espontneamente. La
termodinmica qumica y lafisicoqumicafueron desarrolladas adems
porWalther Nernst,Pierre Duhem,Gilbert N. Lewis,Jacobus Henricus
van 't Hoff, yThophile de Donder, entre otros, aplicando los mtodos
matemticos de Gibbs.Tambin fueron de importancia para la
termodinmica los desarrollos entermometraymanometra.Leyes de la
termodinmica[editar]Principio cero de la
termodinmica[editar]Artculo principal:Principio cero de la
termodinmicaEsteprincipioo ley cero, establece que existe una
determinada propiedad denominadatemperatura emprica, que es comn
para todos los estados deequilibrio termodinmicoque se encuentren
en equilibrio mutuo con uno dado.En palabras llanas: Si pones en
contacto un objeto fro con otro caliente, ambos evolucionan hasta
que sus temperaturas se igualan.Tiene una gran importancia
experimental pues permite construir instrumentos que midan la
temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el
marco terico de la termodinmica.Elequilibrio termodinmicode un
sistema se define como la condicin del mismo en el cual las
variables empricas usadas para definir o dar a conocer un estado
del sistema (presin, volumen, campo elctrico, polarizacin,
magnetizacin, tensin lineal, tensin superficial, coordenadas en el
plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un
parmetro cintico, asociado a nivel microscpico; el cual a su vez
est dentro de la fsico qumica y no es parmetro debido a que a la
termodinmica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro
final. A dichas variables empricas (experimentales) de un sistema
se las conoce comocoordenadas trmicas y dinmicasdel sistema.Este
principio fundamental, an siendo ampliamente aceptado, no fue
formulado formalmente hasta despus de haberse enunciado las otras
tres leyes. De ah que recibiese el nombre de principio cero.Primera
ley de la termodinmica[editar]Artculo principal:Primera ley de la
termodinmicaTambin conocida comoprincipiodeconservacin de la
energapara la termodinmica, establece que si se realiza trabajo
sobre un sistema o bien ste intercambia calor con otro, laenerga
internadel sistema cambiar.En palabras llanas: "La energa no se
crea ni se destruye: solo se transforma".Visto de otra forma, esta
ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe
intercambiar el sistema para compensar las diferencias
entretrabajoy energa interna. Fue propuesta porNicolas Lonard Sadi
Carnoten1824, en su obraReflexiones sobre la potencia motriz del
fuego y sobre las mquinas adecuadas para desarrollar esta potencia,
en la que expuso los dos primeros principios de la termodinmica.
Esta obra fue incomprendida por los cientficos de su poca, y ms
tarde fue utilizada porRudolf ClausiusyLord Kelvinpara formular, de
una manera matemtica, las bases de la termodinmica.La ecuacin
general de la conservacin de la energa es la siguiente:
Que aplicada a la termodinmica teniendo en cuenta elcriterio de
signos termodinmico, queda de la forma:
Donde U es la energa interna del sistema (aislado), Q es la
cantidad de calor aportado al sistema y W es el trabajo realizado
por el sistema.Esta ltima expresin es igual de frecuente
encontrarla en la formaU = Q + W. Ambas expresiones, aparentemente
contradictorias, son correctas y su diferencia est en que se
aplique el convenio de signos IUPAC o el Tradicional (vasecriterio
de signos termodinmico).
ilustracin de la segunda ley mediante una mquina trmicaSegunda
ley de la termodinmica[editar]Artculo principal:Segunda ley de la
termodinmicaEsta ley marca la direccin en la que deben llevarse a
cabo losprocesos termodinmicosy, por lo tanto, la imposibilidad de
que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de
tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un
pequeo volumen). Tambin establece, en algunos casos, la
imposibilidad de convertir completamente toda la energa de un tipo
en otro sin prdidas. De esta forma, la segunda ley impone
restricciones para las transferencias de energa que hipotticamente
pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta slo el primer
principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia
de una magnitud fsica llamadaentropa, de tal manera que, para un
sistema aislado (que no intercambia materia ni energa con su
entorno), la variacin de la entropa siempre debe ser mayor que
cero.Debido a esta ley tambin se tiene que el flujo espontneo de
calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor
temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un
equilibrio trmico.La aplicacin ms conocida es la de las mquinas
trmicas, que obtienen trabajo mecnico mediante aporte de calor de
una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la
fuente o foco o sumidero fro. La diferencia entre los dos calores
tiene su equivalente en el trabajo mecnico obtenido.Existen
numerosos enunciados equivalentes para definir este principio,
destacndose el de Clausius y el de Kelvin.Enunciado de
Clausius[editar]
Diagrama delciclo de Carnoten funcin de lapresiny elvolumen.En
palabras de Sears es: No es posible ningn proceso cuyo nico
resultado sea la extraccin de calor de un recipiente a una cierta
temperatura y la absorcin de una cantidad igual de calor por un
recipiente a temperatura ms elevada.Enunciado de
KelvinPlanck[editar]Es imposible construir una mquina trmica que,
operando en unciclo, no produzca otro efecto que la absorcin de
energa desde un depsito, con la realizacin de una cantidad igual de
trabajo.Otra interpretacin[editar]Es imposible construir una mquina
trmica cclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la
energa termodinmica del ambiente. Debido a esto podemos concluir,
que el rendimiento energtico de una mquina trmica cclica que
convierte calor en trabajo, siempre ser menor a la unidad, y sta
estar ms prxima a la unidad, cuanto mayor sea el rendimiento
energtico de la misma. Es decir, cuanto mayor sea el rendimiento
energtico de una mquina trmica, menor ser el impacto en el
ambiente, y viceversa.Tercera ley de la termodinmica[editar]Artculo
principal:Tercera ley de la termodinmicaAlgunas fuentes se refieren
incorrectamente al postulado de Nernst como "la tercera de las
leyes de la termodinmica". Es importante reconocer que no es una
nocin exigida por la termodinmica clsica por lo que resulta
inapropiado tratarlo de ley, siendo incluso inconsistente con la
mecnica estadstica clsica y necesitando el establecimiento previo
de la estadstica cuntica para ser valorado adecuadamente. La mayor
parte de la termodinmica no requiere la utilizacin de este
postulado.15El postulado de Nernst, llamado as por ser propuesto
porWalther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura
igual alcero absolutomediante un nmero finito de procesos fsicos.
Puede formularse tambin como que a medida que un sistema dado se
aproxima al cero absoluto, su entropa tiende a un valor constante
especfico. La entropa de los slidos cristalinos puros puede
considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto.Es
importante remarcar que los principios o leyes de la termodinmica
son vlidas siempre para los sistemas macroscpicos, pero
inaplicables a nivel microscpico. La idea deldemonio de
Maxwellayuda a comprender los lmites de la segunda ley de la
termodinmica jugando con las propiedades microscpicas de las
partculas que componen un gas.Sistema[editar]Artculo
principal:Sistema termodinmicoSe puede definir unsistemacomo un
conjunto de materia, que est limitado por una superficie, que le
pone el observador, real o imaginaria. Si en el sistema no entra ni
sale materia, se dice que se trata de unsistema cerrado, osistema
aisladosi no hay intercambio de materia y energa, dependiendo del
caso. En la naturaleza, encontrar un sistema estrictamente aislado
es, por lo que sabemos, imposible, pero podemos hacer
aproximaciones. Un sistema del que sale y/o entra materia, recibe
el nombre deabierto. Ponemos unos ejemplos: Un sistema abierto: se
da cuando existe un intercambio de masa y de energa con los
alrededores; es por ejemplo, un coche. Le echamos combustible y l
desprende diferentes gases y calor. Un sistema cerrado: se da
cuando no existe un intercambio de masa con el medio circundante,
slo se puede dar un intercambio de energa; un reloj de cuerda, no
introducimos ni sacamos materia de l. Solo precisa un aporte de
energa que emplea para medir el tiempo. Un sistema aislado: se da
cuando no existe el intercambio ni de masa y energa con los
alrededores;Cmo encontrarlo si no podemos interactuar con l?Sin
embargo un termo lleno de comida caliente es una aproximacin, ya
que el envase no permite el intercambio de materia e intenta
impedir que la energa (calor) salga de l. El universo es un sistema
aislado, ya que la variacin de energa es ceroMedio
externo[editar]Se llamamedio externooambientea todo aquello que no
est en el sistema pero que puede influir en l. Por ejemplo,
consideremos una taza con agua, que est siendo calentada por un
mechero. Consideremos un sistema formado por la taza y el agua,
entonces el medio est formado por el mechero, el aire,
etc.Equilibrio trmico[editar]Artculo principal:Equilibrio
trmicoToda sustancia por encima de los 0 kelvin (-273,15C) emite
calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente
temperatura, una de ellas emitir ms calor y calentar a la ms fra.
El equilibrio trmico se alcanza cuando ambas emiten, y recibenla
misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura. Nota:
estrictamente sera la misma cantidad de calor por gramo, ya que una
mayor cantidad de sustancia emite ms calor a la misma
temperatura.Variables termodinmicas[editar]Las variables que tienen
relacin con el estado interno de un sistema, se llamanvariables
termodinmicasocoordenadas termodinmicas, y entre ellas las ms
importantes en el estudio de la termodinmica son: lamasa elvolumen
ladensidad lapresin latemperaturaEn termodinmica es muy importante
estudiar sus propiedades, las cules podemos dividirlas en dos:
propiedades intensivas: son aquellas que no dependen de la cantidad
de sustancia o del tamao de un sistema, por lo que su valor
permanece inalterado al subdividir el sistema inicial en varios
subsistemas, por este motivo no son propiedades aditivas.
propiedades extensivas: son las que dependen de la cantidad de
sustancia del sistema, y son recprocamente equivalentes a las
intensivas. Una propiedad extensiva depende por tanto del tamao del
sistema. Una propiedad extensiva tiene la propiedad de ser aditiva
en el sentido de que si se divide el sistema en dos o ms partes, el
valor de la magnitud extensiva para el sistema completo es la suma
de los valores de dicha magnitud para cada una de las
partes.Algunos ejemplos de propiedades extensivas son la masa, el
volumen, el peso, cantidad de sustancia, energa, entropa, entalpa,
etc. En general el cociente entre dos magnitudes extensivas nos da
una magnitud intensiva, por ejemplo la divisin entre masa y volumen
nos da la densidad.Estado de un sistema[editar]Un sistema que puede
describirse en funcin de coordenadas termodinmicas se llama sistema
termodinmico y la situacin en la que se encuentra definido por
dichas coordenadas se llama estado del sistema.Equilibrio
trmico[editar]Un estado en el cual dos coordenadas termodinmicas
independientes X y Y permanecen constantes mientras no se modifican
las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio
trmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio trmico se dice
que tienen la mismatemperatura. Entonces se puede definir la
temperatura como una propiedad que permite determinar si un sistema
se encuentra o no en equilibrio trmico con otro sistema.El
equilibrio trmico se presenta cuando dos cuerpos con temperaturas
diferentes se ponen en contacto, y el que tiene mayor temperatura
cede energa trmica en forma de calor al que tiene ms baja, hasta
que ambos alcanzan la misma temperatura.Algunas definiciones tiles
en termodinmica son las siguientes.Foco trmico[editar]Unfoco
trmicoes un sistema que puede entregar y/o recibircalor, pero sin
cambiar sutemperatura.Contacto trmico[editar]Se dice que dos
sistemas estn en contacto trmico cuando puede haber transferencia
de calor de un sistema a otro.Procesos termodinmicos[editar]Artculo
principal:Proceso termodinmicoSe dice que un sistema pasa por un
proceso termodinmico, o transformacin termodinmica, cuando al menos
una de las coordenadas termodinmicas no cambia. Los procesos ms
importantes son: Procesos isotrmicos: son procesos en los que la
temperatura no cambia. Procesos isobricos: son procesos en los
cuales la presin no vara. Procesos iscoros: son procesos en los que
el volumen permanece constante. Procesos adiabticos: son procesos
en los que no hay transferencia de calor alguna. Procesos
diatrmicos: son procesos que dejan pasar el calor fcilmente.
Procesos isoentrpicos: procesos adiabticos y reversibles. Procesos
en los que la entropa no vara.Por ejemplo, dentro de un termo donde
se colocan agua caliente y cubos de hielo, ocurre unproceso
adiabtico, ya que el agua caliente se empezar a enfriar debido al
hielo, y al mismo tiempo el hielo se empezar a derretir hasta que
ambos estn en equilibrio trmico, sin embargo no hubo transferencia
de calor del exterior del termo al interior por lo que se trata de
un proceso adiabtico.Rendimiento termodinmico o
eficiencia[editar]Artculo principal:Rendimiento trmicoUn concepto
importante en la ingeniera trmica es el derendimiento. El
rendimiento de unamquina trmicase define como:
donde, dependiendo del tipo de mquina trmica, estas energas sern
el calor o el trabajo que se transfieran en determinados
subsistemas de la mquina.Teorema de Carnot[editar]Artculo
principal:Ciclo de CarnotNicolas Lonard Sadi Carnoten1824demostr
que el rendimiento de alguna mquina trmica que tuviese la mxima
eficiencia posible (a las que en la actualidad se denotan con su
nombre) y que operase entre dostermostatos(focoscon temperatura
constante), dependera slo de las temperaturas de dichos focos. Por
ejemplo, el rendimiento para unmotor trmicode Carnot viene dado
por:
dondeyson las temperaturas del termostato caliente y del
termostato fro, respectivamente, medidas enKelvin.Este rendimiento
mximo es el correspondiente al de una mquina trmica reversible, la
cual es slo una idealizacin, por lo que cualquier mquina trmica
construida tendr un rendimiento menor que el de una mquina
reversible operando entre los mismos focos.Entalpa(delgriego
[enthlp], agregar calor; formado por [en], en y [thlp], calentar)
es una magnitudtermodinmica, simbolizada con la letraHmayscula,
cuya variacin expresa una medida de la cantidad deenergaabsorbida o
cedida por unsistema termodinmico, es decir, la cantidad de energa
que un sistema intercambia con su entorno.
Entermodinmica, laentropa(simbolizada comoS) es unamagnitud
fsicaque, mediante clculo, permite determinar la parte de
laenergaque no puede utilizarse para producirtrabajo
Larefrigeracines un proceso que consiste en bajar o mantener el
nivel de calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que
realmente el fro no existe y que debe hablarse de mayor o menor
cantidad de calor o de mayor o menor nivel trmico (nivel que se
mide con la temperatura), refrigerar es unproceso termodinmicoen el
que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo su nivel
trmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energa trmica
sin problemas o con muy pocos problemas.Tipos de ciclos[editar]El
modo ms utilizado para el enfriamiento artificial de espacios
cerrados, se consigue mediante los mtodosde compresinyde absorcin.
El mtodo por compresin es el ms utilizado, puesto que el mtodo por
absorcin solo se suele utilizar cuando hay una fuente de calor
residual o barata, como en latrigeneracin.Ciclo ideal de
refrigeracin por compresin[editar]En este ciclo de refrigeracin el
refrigerante se evapora y se condensa, comprimindolo,
alternativamente para luego volver a la fase de vapor. Est
compuesto por 4 procesos: Compresinisentrpica en un compresor.
Disipacin de calor a presin constante en un condensador.
Estrangulamiento en undispositivo de expansiny consiguiente
evaporacin. Absorcin de calor a presin constante en un
evaporador.De acuerdo a los procesos anteriores,
elrefrigeranteentra al compresor en el estado 1 como vapor saturado
y se comprime isentrpicamente hasta la presin delcondensador. La
temperatura del refrigerante aumenta durante el proceso de
compresin isentrpica, hasta un valor muy superior al de la
temperatura del medio circundante. Despus el refrigerante entra en
el condensador como vapor sobrecalentado en el estado 2 y sale como
lquido saturado en el estado 3, como resultado de la disipacin de
calor hacia el entorno. El refrigerante, como lquido saturado en el
estado 3, se dilata hasta lapresindel evaporador al pasar por una
vlvula de expansin o por un tubo capilar. La temperatura del
refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio
refrigerado durante este proceso. El refrigerante entra en el
evaporador en el estado 4 como vapor hmedo de baja calidad y se
evapora por completo absorbiendo calor del espacio refrigerado. El
refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a
entrar al compresor completando el ciclo.3Ciclo real de
refrigeracin por compresin de vapor[editar]Artculo
principal:Refrigeracin por compresinDifiere de uno ideal debido a
situaciones irreversibles que ocurren en varios componentes. Dos
fuentes comunes deirreversibilidadson la friccin del fluido y la
transferencia de calor hacia o desde los alrededores. El proceso de
compresin real incluye efectos defriccin, los cuales incrementan
laentropay la transferencia de calor lo cual puede aumentar o
disminuir la entropa dependiendo de la reaccin.Sistemas de
refrigeracin en cascada[editar]Un ciclo de refrigeracin en cascada
consiste en efectuar el proceso de refrigeracin por etapas, es
decir, dos o ms ciclos de refrigeracin que operan en serie. En
unciclode refrigeracin de dos etapas, los ciclos se conectan por
medio de un intercambiador de calor en medio, el cual sirve como
evaporador para el ciclo superior y como condensador en el ciclo
inferior. Suponiendo que el intercambiador de calor est bien
aislado y que las energas cinticas y potenciales son despreciables,
la transferencia de calor del fluido en el ciclo inferior debe ser
igual a la transferencia de calor del fluido en el ciclo superior.
En el sistema de cascada los refrigerantes en ambos ciclos se
suponen iguales.4a agua vai com muito vaporSistemas de refrigeracin
por compresin de mltiples etapas[editar]Cuando el fluido utilizado
por todo el sistema de refrigeracin en cascada es el mismo, el
intercambiador de calor se puede sustituir por una cmara de
mezclado puesto que tiene las mejores caractersticas de
transferencia de calor. A dichos sistemas se les denomina sistemas
de refrigeracin por compresin de mltiples etapas. El proceso de
compresin en este sistema es similar a unacompresinde dos etapas,
entonces el trabajo del compresor disminuye.Sistemas de
refrigeracin de usos mltiples con un solo compresor[editar]Algunas
aplicaciones requieres refrigeracin a ms de una temperatura. Esto
puede lograse con una vlvula de estrangulamiento independiente y un
compresor por separado para cadaevaporadorque opere a temperaturas
diferentes, sin embargo un modelo ms prctico es enviar todos lo
flujos de salida de los evaporadores a un solo compresor y dejar
que este maneje el proceso de compresin para el sistema
completo.Sistemas de refrigeracin por absorcin[editar]Artculo
principal:Refrigeracin por absorcinOtra forma de refrigeracin
cuando se tiene una fuente de energa trmica barata a unas
temperaturas entre 80 y 200C es larefrigeracin por absorcin. El
principio de funcionamiento es semejante al ciclo de compresin: el
refrigerante absorbe calor al evaporarse y despues se condensa para
recomenzar el ciclo, pero la diferencia estriba en que en vez de un
compresor, como su nombre indica, en estos sistemas se refrigeracin
el ciclo se cierra mediante la absorcin del refrigerante por un
medio de transporte (o absorbente) y posterior separacin de la
disolucin por medio del calor para recomenzar el ciclo. Los ciclos
de refrigeracin por absorcin frecuentes son: amoniaco-agua, donde
elamoniaco(NH3) sirve como refrigerante y elagua(H2O) es el
absorbente.5 agua-bromuro de litio, donde el agua (H2O) sirve como
refrigerante y elbromuro de litio(LiBr) como absorbente, siendo
este sistema el que mejores rendimientos tiene, aunque tiene el
inconveniente de que no puede funcionar a menos de 0C (temperatura
de congelacin del agua, el refrigerante), lo que no obsta para los
sistemas de refrigeracin de espacios habitados
Un compresor frigorfico es el centro del ciclo de refrigeracin.
Funciona como una bomba para controlar la circulacin del gas
refrigerante, y agrega presin al mismo, calentndolo. El compresor
tambin seala el rea del vapor delevaporadorpara mantener una presin
y temperatura ms baja antes de enviarlo al condensador.
El ciclo de refrigeracinUna comprensin profunda de la funcin de
un compresor frigorfico no puede existir sin un debate del ciclo de
refrigeracin, que esencialmente consiste en la transformacin de un
lquido a gas y viceversa. (Si no ests interesado en los detalles,
omite este paso.) Existen cinco pasos principales en un circuito de
refrigeracin: evaporacin, condensacin, compresin, expansin y
recepcin. 1) La evaporacin: el lquido refrigerante entra en
elevaporador. ste absorbe el calor cuando se evapora, lo que
produce el enfriamiento. El refrigerante delevaporadoralimenta a un
tanque como un dbil o saturado gas sobrecalentado. La presin del
tanque se eleva hasta que se iguala a la presin delevaporador. Se
detiene el flujo del refrigerante y la temperatura, tanto en el
tanque como en elevaporador, elevndose a la temperatura ambiente.
2) La compresin: para mantener las presiones y temperaturas mas
bajas, se necesita un compresor para eliminar el vapor. Debido a
que el circuito de refrigeracin esta cerrado, se mantiene el
equilibrio. Esto significa que si el compresor de vapor elimina
rpidamente lo que se forma, la presin caer con ella a la
temperatura en elevaporador. Alternativamente, si la carga sobre el
aumento delevaporadory el refrigerante se evapora rpidamente, la
temperatura y la presin el elevador se elevara. La energa que
requiere un compresor se llama entrada de compresin y se transfiere
al vapor de la refrigeracin. 3) La condensacin: despus de dejar el
compresor, se mueve el refrigerante al condensador, que emite el
calor que transfiere al aire o agua que tiene una temperatura ms
baja. La cantidad de calor emitido es el calor absorbido por el
refrigerante en elevaporador, ms el calor creado por la entrada de
compresin. El subproducto de esto son los cambios de vapor a
lquido, que luego se envan al receptor. 4) Recepcin: La presin en
el receptor es mayor que la presin en elevaporadordebido a la
compresin, y por lo tanto debe reducirse para que coincida con la
presin de evaporacin. Esto se logra mediante el uso de una vlvula
de expansin. 5) Expansin: Antes de que el lquido entre en la vlvula
de expansin, la temperatura estar justo bajo el punto de ebullicin.
De pronto se reduce la presin en la vlvula de expansin y hace que
el lquido a ebullicin se evapore. Esta evaporacin se lleva a cabo
en elevaporadory el circuito esta completo. Existen muchas
temperaturas diferentes involucradas en la operacin de una planta
de refrigeracin, pero en principio slo hay dos presiones: la presin
de evaporacin y la presin de condensacin.TiposLos principales tipos
de compresores de refrigeracin son alternativos, de tornillo, de
desplazamiento y centrfuga. Son utilizados en las aplicaciones de
refrigeracin, bombas de calor, aire acondicionado,
enactividadestales como procesamiento de alimentos, pistas de
hielo, estadios y fabricacin de productos farmacuticos.Compresores
de tornillo rotativoLos compresores rotativos de tornillo tienen
husillos que comprimen el gas a medida que entra en elevaporador.
El compresor de tornillo cuenta con un funcionamiento suave
yrequisitosmnimos de mantenimiento, ya que generalmente estos
compresores slo necesitan cambios en el aceite, el filtro de aceite
y el separador de aire/aceite. Basados en microprocesadores, los
controladores tambin estn disponibles para compresores rotativos
normales que permiten la rotacin al permanecer cargado 100 por
ciento del tiempo. Hay dos tipos de compresores de tornillo
rotativo: individuales y dobles.Compresores alternativosUn
compresor alternativo utiliza un mecanismo de pistn accionado por
descargas con resorte de carga y pasadores para elevar la placa de
la vlvula de succin de su asiento, permitiendo que la unidad pueda
ser utilizada en cualquier relacin de presiones. Esta accin es
similar a un motor de combustin interna en un coche. Este tipo de
compresor es eficiente a tiempo completo y carga parcial de
trabajo. Otras ventajas incluyen controles simples y la capacidad
de controlar la velocidad mediante el uso de correas de transmisin.
El compresor de pistn se utiliza en aplicaciones de baja
potencia.Los compresores de desplazamientoLos compresores de
desplazamiento funcionan moviendo un elemento en espiral dentro de
otra espiral estacionaria para producir bolsas de gas que a medida
que se hacen ms pequeas, aumentan la presin del gas. Durante la
compresin, varios bolsillos se comprimen a la vez. Al mantener un
nmero par de bolsas de gas equilibradas en lados opuestos, la
compresin fuerza dentro el equilibrio de desplazamiento y reduce la
vibracin en el interior del compresor. Este tipo de compresor
utiliza el diseo de desplazamiento en lugar de un cilindro fijo o
un mecanismo de compresin del pistn o de una sola cara, eliminando
el espacio desperdiciado en la cmara de compresin y la necesidad de
comprimir el gas otra vez durante el ciclo (recomprensin). Esto
reduce el consumo de energa.Los compresores centrfugosLos
compresores centrfugos comprimen el gas refrigerante a travs de la
fuerza centrfuga creada por los rotores que giran a alta velocidad.
Esta energa se enva a un difusor, que convierte una porcin de l en
aumento de la presin. Esto se hace mediante la ampliacin de la
regin del volumen de flujo para desacelerar la velocidad de flujo
del fluido energtico. Los difusores pueden utilizar superficies de
sustentacin, tambin conocidos como paletas, para mejorar este
aspecto. Los compresores centrfugos son adecuados para la compresin
de grandes volmenes de gas a presiones moderadas.