Eficiencia energética en las instalaciones de climatización en los edificios. ENAC0108
Ejemplo
Al calentar una olla exprés llena a la mitad de agua, al transmitir calor al interior de la olla, se generará vapor. El calor que se transmite a la olla se invierte en aumentar la energía interna del agua, que pasa de estado líquido a vapor, y en realizar un trabajo sobre las paredes de la olla y haciendo girar la válvula de seguridad.
Olla exprés, ejemplo de la primera ley de la termodinámica
Segunda ley de la termodinámica
Esta ley especifica que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calor de un cuerpo con mayor temperatura a uno con menor temperatura. El calor fluye espontáneamente desde los focos calientes hacia los focos fríos, hasta alcanzar el equilibrio. Con esto se deduce que, para que el calor fluya desde los focos fríos hacia los focos calientes, habrá que aplicar trabajo al sistema.
Ejemplo
En una locomotora a vapor, una caldera genera vapor, el cual pasa de la caldera, a muy alta temperatura, al exterior, a temperatura ambiente, atravesando un pistón sobre el que genera un trabajo.
Tercera ley de la termodinámica
Por último, la tercera ley enuncia que no existe ningún proceso capaz de reducir la temperatura de un sistema al cero absoluto en un número finito de pasos. El cero absoluto equivale a cero grados Kelvin, es decir, a −273 °C.
Recuerde
En termodinámica es muy usual medir la temperatura en grados Kelvin (K). Para pasar de grados centígrados a grados Kelvin basta sumar 273.
0 °C = 273 K.
2.2. Procesos termodinámicos
Como ya se ha comentado, un ciclo termodinámico es una sucesión de procesos termodinámicos, partiendo de un estado inicial y volviendo a dicho estado inicial. Existen infinidad de procesos termodinámicos, según varíen las propiedades del sistema. Sin embargo, hay que diferenciar varios procesos termodinámicos característicos en los ciclos termodinámicos:
1 Proceso isotérmico: proceso en el que no varía la temperatura del fluido caloportador.
2 Proceso isócoro o isocórico: proceso en el que no varía el volumen del fluido caloportador.
3 Proceso isobárico: proceso en el que no varía la presión del fluido caloportador.
4 Proceso adiabático: proceso en el que no hay transferencia de calor entre el fluido caloportador y los focos.
5 Proceso isoentálpico: proceso en el que no varía la entalpía.
En termodinámica es muy común el uso de diagramas. Para representar los ciclos termodinámicos se usan principalmente dos tipos de diagramas: diagramas presión-volumen, P-V, y diagramas temperatura-entropía, T-S.
Siendo:
1 S: constante proceso isoentrópico.
2 P: constante proceso isobárico.
3 Qen: calor aportado al sistema.
4 Qsal: calor cedido por el sistema.
2.3. Ciclos de refrigeración
A continuación se analizarán brevemente los ciclos termodinámicos usados en refrigeración.
Ciclo de Carnot inverso
El ciclo de Carnot para refrigeración es el ciclo más básico. Para realizar este ciclo se utiliza un fluido compresible, el cual cambiará de estado. Las diferentes etapas de este ciclo se representan en la siguiente figura:
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 Wc: trabajo aportado al compresor.
6 Wt: trabajo cedido por la turbina.
Analizando el ciclo, se distinguen los siguientes procesos:
1 1-2: Expansión isotérmica: el fluido entra al evaporador en estado líquido y se pasa a vapor casi en su totalidad, absorbiendo una cantidad de calor Qf del recinto a refrigerar, es decir, del foco frío. Todo el proceso ocurre a temperatura constante Tf.
2 2-3: Compresión adiabática: el fluido aumenta su presión y temperatura, llegando a la temperatura del foco caliente Tc. Durante esta compresión, el fluido pasa totalmente a vapor. Para elevar la presión del fluido es necesario aportar trabajo al sistema; sin embargo, durante este proceso no se produce intercambio de calor.
3 3-4: Compresión isotérmica: el fluido entra en el condensador en estado gaseoso, pasando a estado líquido y cediendo una cantidad de calor Qc al foco caliente. Durante este proceso no varían ni la presión ni la temperatura.
4 4-1: Expansión adiabática: el fluido en estado líquido se expande en la turbina, disminuyendo su presión y su temperatura hasta la temperatura Tf del foco frío. Como resultado de esta expansión, una pequeña parte del fluido se vaporiza. Durante el proceso, el sistema cede trabajo a través de la turbina, no habiendo intercambio de calor.
El ciclo de Carnot es un ciclo ideal y reversible. Es imposible reproducirlo en la práctica debido, entre otras cosas, a los rendimientos internos del compresor y la turbina. Su utilidad radica en que es el ciclo de mayor eficiencia energética, ya que requiere el mínimo trabajo en el compresor y su eficiencia solo depende de la diferencia de temperatura entre los focos. Es por esto que se utiliza para comparar el rendimiento de los distintos ciclos.
Importante
El ciclo de Carnot es un ciclo ideal, es decir, teórico. La eficiencia energética del ciclo de Carnot es la máxima que se puede conseguir. Ningún otro ciclo representa una eficiencia mayor al ciclo de Carnot.
Actividades
3. ¿Por qué al ciclo de Carnot para refrigeración se le denomina “ciclo inverso” y “ciclo reversible”?
Ciclo de refrigeración por compresión
En la práctica, los ciclos que utilizan fluidos compresibles difieren en varios aspectos del ciclo ideal de Carnot. Las diferentes etapas de estos ciclos se representan en la siguiente figura:
Siendo:
1 Tc: temperatura del foco caliente.
2 Tf: