Eficiencia energética en las instalaciones de climatización en los edificios. ENAC0108
En otras palabras, no se trata de suministrar frío, sino de sustraer calor a dicho objeto o espacio. En este contexto cabe preguntarse: ¿qué es la termodinámica?
Definición
Termodinámica
Parte de la física que estudia los estados de equilibrio, definidos por magnitudes que dependen del tamaño del sistema, como la energía interna, la entropía o el volumen, y por magnitudes que no dependen del tamaño del sistema, como la temperatura y la presión.
Existen numerosos procedimientos para generar frío, pero básicamente todos los procesos de refrigeración se pueden clasificar en dos grandes grupos:
1 Procesos químicos: se basan en el uso de ciertas disoluciones de sales en agua u otros disolventes. Estas disoluciones pueden alcanzar temperaturas de hasta −15 °C, absorbiendo gran cantidad de calor del medio que las rodea. Estos procesos no son procesos continuos, es decir, no se trata de ciclos termodinámicos, y no tienen mucha aplicación práctica, salvo para trabajos de laboratorio.
2 Procesos físicos: la generación de frío mediante procesos físicos se basa en el descenso de temperatura que se consigue durante ciertos fenómenos físicos, como por ejemplo la expansión de un fluido.
En la práctica, los procesos físicos son los generalmente usados para refrigeración. Estos procesos se dividen a su vez en los siguientes:
1 Sistemas basados en la elevación de la temperatura de un fluido frigorígeno: esta forma de generar frío consiste en la disolución de ciertas sales en agua, como puede ser el nitrato de amonio. Estas disoluciones, a determinadas concentraciones, producen una salmuera en la que la temperatura puede descender hasta los −15 °C. Esta salmuera o fluido frigorígeno es utilizada para captar calor del producto a enfriar.
2 Sistemas basados en la expansión adiabática de un fluido gaseoso: en estos sistemas, un gas se expande sin intercambiar calor con el medio que lo rodea, por lo que realiza un trabajo a costa de disminuir su temperatura.
3 Sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia: estos sistemas dependen del calor generado en el cambio de estado, y se dividen a su vez en:Sistemas por fusión: la sustracción de calor del objeto o espacio a refrigerar se utiliza para pasar una sustancia de estado sólido a estado líquido.Sistemas por sublimación: en este caso se utiliza el paso de estado sólido a estado gaseoso.Sistemas por vaporización: engloba todos los procesos en los que un líquido pasa a estado gaseoso al absorber calor del objeto o espacio a enfriar. Dentro de estos sistemas hay que distinguir dos casos:Circuito abierto: también llamado de vaporización directa, en el que el fluido absorbe calor hasta pasar a vapor, no volviéndose a utilizar.Circuito cerrado: a diferencia del anterior, el fluido evaporado se recupera y vuelve a estado líquido para su reutilización en un ciclo termodinámico. Ambos ciclos de refrigeración requieren un aporte de energía externa, así como fluidos que vaporicen a bajas presiones.
Sabía que...
Los sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia por fusión eran muy utilizados hasta la aparición de la refrigeración artificial. Así, por ejemplo, se refrigeraban las antiguas bodegas de vino.
Actividades
1. Buscar ejemplos sobre los sistemas físicos usados en refrigeración.
2. Buscar alguna aplicación en la que se utilicen procesos químicos para generar frío.
Todos los procesos físicos utilizados para refrigeración son ciclos termodinámicos, entendiéndose como tal cualquier serie de procesos termodinámicos en la que el sistema parte de una situación inicial, realiza dichos procesos y vuelve a dicha situación inicial. En estos procesos termodinámicos existe una variación de las propiedades termodinámicas del sistema, que son:
1 Presión (P): del fluido caloportador, ya sea líquido o gaseoso. La presión se mide en pascales (Pa) o en atmósferas (atm).
2 Entropía (S): parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. La entropía se mide en julios por Kelvin (J/K).
3 Volumen (V): del fluido caloportador, ya sea líquido o gaseoso. El volumen se mide en metros cúbicos (m3) o en litros (l). Nota: un litro es la milésima parte de un metro cúbico.
4 Entalpía (H): cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. La entalpía se mide en Julios (J).
5 Temperatura (T): del fluido caloportador y de los focos. La temperatura se mide en grados Kelvin (K). Nota: un grado Kelvin equivale a 273 grados centígrados.
En todo ciclo termodinámico existirán al menos dos focos de temperatura, un foco frío, a menor temperatura, y un foco caliente, a mayor temperatura. En los ciclos de refrigeración, el calor se transmitirá siempre desde el foco frío hacia el foco caliente.
Siendo:
1 Tc: temperatura del foco caliente.
2 Tf: temperatura del foco frío.
3 Qc: calor cedido al foco caliente.
4 Qf: calor cedido al foco frío.
5 W: trabajo aportado al sistema.
Recuerde
En los sistemas de refrigeración el calor se transmitirá desde el foco frío hacia el foco caliente. De manera natural el calor fluye por sí solo desde el foco caliente hacia el foco frío.
2.1. Leyes de la termodinámica
Existen cuatro leyes de la termodinámica, las cuales se han de cumplir en todo ciclo termodinámico:
Ley cero de la termodinámica
La ley cero de la termodinámica, también llamada ley de equilibrio térmico, enuncia que dos cuerpos que se encuentran a la misma temperatura están en equilibrio térmico, no produciéndose intercambio de calor entre ellos.
Ejemplo
Si se vierte agua caliente en un vaso frío, el agua se enfriará, mientras que el vaso se calentará, hasta que ambos tengan la misma temperatura. En este momento se encontrarán en equilibrio térmico, no habiendo intercambio de calor entre ellos.
Primera ley de la termodinámica
También llamada principio de conservación de la energía, indica que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma en otro tipo de energía. En este contexto hay que aclarar que tanto el calor como el trabajo son tipos de energía. De hecho, se define la cantidad de calor (Q) absorbida por un sistema como el cambio en su energía interna que no se debe al trabajo.
Siendo:
1 Q: calor absorbido.
2 ΔU: incremento de energía interna.
3 W: trabajo.