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• • 3.4.0.1 Hardware del frigorífico

El ciclo de Carnot se ha utilizado para la energía, pero también podemos ejecutarlo a la inversa. Si es así, ahora hay trabajo neto en el sistema y calor neto fuera del sistema. Habrá una cantidad de calor rechazada a la temperatura más alta y una cantidad de calor absorbida a la temperatura más baja. La primera es negativa según nuestra convención y la segunda es positiva. El resultado es que se realiza trabajo en el sistema, se extrae calor de una fuente de baja temperatura y se rechaza hacia una fuente de alta temperatura. Las palabras «baja» y «alta» son relativas y la fuente de baja temperatura puede ser un aula llena de gente en un día caluroso, y la extracción de calor se utiliza para enfriar la habitación. El ciclo y las transferencias de calor y trabajo se indican en la figura 3.6. En este modo de funcionamiento, el ciclo funciona como un refrigerador o una bomba de calor. Lo que pagamos es el trabajo y lo que obtenemos es la cantidad de calor extraído. La métrica de los dispositivos de este tipo es el coeficiente de rendimiento, definido como

Figura 3.6:Funcionamiento de un refrigerador de Carnot

Para un ciclo de Carnot conocemos las relaciones entre el calor que entra y el que sale cuando el ciclo se ejecuta hacia adelante y, puesto que el ciclo es reversible, las relaciones son las mismas cuando el ciclo se ejecuta a la inversa. El coeficiente de rendimiento se da en términos de las temperaturas absolutas como

Esto puede ser mucho mayor que la unidad.

Los ciclos de Carnot que se han dibujado se basan en el comportamiento ideal del gas. Sin embargo, para diferentes medios de trabajo, tendrán un aspecto diferente. Veremos un ejemplo cuando hablemos de las situaciones de dos fases. Lo que es igual, sea cual sea el medio, es la eficiencia de todos los ciclos de Carnot que operan entre las mismas dos temperaturas.

3.4.0.1 Hardware del refrigerador

Típicamente, el sistema termodinámico en el análisis de un refrigerador será un fluido de trabajo, un refrigerante, que circula por un bucle, como se muestra en la figura 3.7. La energía interna (y la temperatura) del refrigerante aumenta y disminuye alternativamente gracias a los dispositivos del circuito. El fluido de trabajo está más frío que el aire del frigorífico en un punto y más caliente que el entorno en otro. Así, el calor fluye en la dirección adecuada, como muestran las dos flechas de los intercambiadores de calor.

Figura 3.7: Esquema de un frigorífico doméstico

Comenzando por la esquina superior derecha del diagrama, describimos el proceso con más detalle. Primero el refrigerante pasa por una pequeña turbina o por una válvula de expansión. En estos dispositivos, el refrigerante realiza un trabajo para reducir su energía interna hasta un punto en el que la temperatura del refrigerante es inferior a la del aire del frigorífico. Se utiliza un intercambiador de calor para transferir energía del interior del frigorífico al refrigerante frío, lo que reduce la energía interna del interior y aumenta la energía interna del refrigerante. A continuación, se utiliza una bomba o un compresor para hacer trabajar al refrigerante, añadiéndole energía adicional y aumentando así su energía interna. La energía eléctrica se utiliza para accionar la bomba o el compresor. La energía interna del refrigerante se eleva hasta un punto en el que su temperatura es superior a la del entorno. A continuación, el refrigerante pasa por un intercambiador de calor (a menudo bobinas en la parte trasera del frigorífico) para que la energía se transfiera del refrigerante al entorno. Como resultado, la energía interna del refrigerante se reduce y la energía interna del entorno aumenta. Es en este punto donde la energía interna del contenido del frigorífico y la energía utilizada para accionar el compresor o la bomba se transfieren al entorno. El refrigerante continúa hacia la turbina o la válvula de expansión, repitiendo el ciclo.

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