I.- Principios Basicos

Intercambio de Calor (Proceso de Evaporación)

 

Refri 1En la escala atómica de las cosas, bajas temperaturas significan orden, y altas temperaturas, desorden. En cualquier sustancia, en un volumen dado, los átomos están más ordenados a una baja temperatura que a una más alta. De modo que, si queremos usar algo como refrigerante, debemos encontrar la forma de introducir orden en las estructuras atómicas. La forma más natural de realizar esto es comenzar con algo que al principio, este muy desordenado. Algo adecuado sería un gas, ya que sus átomos se desplazan al azar, en forma muy desordenada.

Si tomamos un poco de gas en un cilindro aislado y lo comprimimos empujando el pistón, podríamos pensar que aumentamos el orden atómico, ya que es indudable que  hemos forzado a los átomos a estar más juntos. Pero no es así. Cuando se presiona el pistón de este cilindro aislado, no solo acercamos a los átomos entre sí, sino que también les proporcionamos más energía que proviene del trabajo realizado al empujar el pistón en contra de la presión del gas. A pesar de que los átomos del gas estan mas juntos, al mismo tiempo se desplazan de un lado para otro mucho mas violentamente que antes. Concretamente, hemos elevado la temperatura del gas al comprimirlo. Podemos demostrar que, hasta ahora, no estamos en una situación mucho mejor que la anterior; el aumento de orden logrado por el acercamiento de los átomos se ha compensado con el aumento del desorden, debido a que ahora se mueven de un lugar a otro mucho mas violentamente. En realidad, como se puede apreciar, lejos de disminuir la temperatura, la hemos aumentado Si el gas que se encuentra en el cilindro es aire que estaba a la temperatura ambiente (digamos 20°C), al presionar con el pistón hasta la mitad, la temperatura sube hasta casi 115°C.

Refri 2Supongamos ahora que, en vez de mantener el cilindro aislado, y mientras seguimos empujando el pistón, hacemos circular agua fría alrededor de la parte exterior del cilindro, enfriando de nuevo el gas a la temperatura ambiente. Hecho esto, el gas por cierto estará más ordenado que antes, ya que ahora los átomos se mueven casi con la misma velocidad que al principio (pues hemos vuelto la temperatura a su valor inicial mediante una camisa de agua); por otra parte, los átomos están mucho más cerca entre sí que al comienzo. En resumen, hemos aumentado el orden atómico del gas, o sea, y hablando técnicamente, hemos reducido la entropía.

 

 

Refri 3Si somos lo suficientemente inteligentes, podemos usar ahora este aumento en el orden (o entropía reducida) para lograr una temperatura más baja del gas. Aislamos el cilindro otra vez, y dejamos que el pistón retorne a la posición en que estaba al comenzar todo este experimento, permitiendo así la expansión del gas. Ya que esta vez hemos mantenido el cilindro aislado, podemos suponer en contra nuevamente que durante este segundo proceso no se producirá ningún cambio en el orden total (o desorden) atómico del gas. Es cierto que ocupa de nuevo más espacio, de modo que en esta forma esta más desordenado; pero para llegar a esto, cada átomo debe perder algo de su energía cinética y por ello se mueve con más pereza.

De hecho, pierden su energía cinética al empujar el pistón en lugar nuestro. Lo que logramos con todo esto es que el gas estar mucho más frio que al principio, si volvemos al ejemplo de un cilindro con aire, este estaría ahora idealmente enfriado a unos -  50°C.

Refri 4Por último, si transformamos todo este sistema en un ciclo regular mediante algún tipo de máquina, entonces  este proceso repetido será uno de los métodos más importantes para lograr bajas temperaturas.

Si hubiésemos comenzado la operación de enfriamiento con gas amoniaco, es muy posible que llegáramos a licuar el gas directamente, usando un ciclo continuo de este tipo. El amoniaco gaseoso se licua a unos -30°C, y sería muy fácil llegar a esta caída  de temperatura, aun en una maquina real que tuviera perdidas de calor, además de otros defectos.

Pero  si lo que deseamos es licuar un poco de aire, para lo cual necesitamos descender a temperaturas tales, como -190°C, no es difícil ver que sería necesario hacer una maquina con ciclos sucesivos. Por ejemplo, podemos empezar enfriando o licuando, primero  un gas, y luego usar esta etapa para enfriar otro gas y seguir de este modo si es necesario. y ¿hasta dónde podremos llegar con este proceso? Bien, presumiblemente, por lo menos en teoría, podríamos continuar hasta haber licuado o solidificado todas las  sustancias. Para comprender como puede suceder esto debemos pensar un poco mas por que una sustancia se licua a una temperatura y otras a temperatura distinta.

 

Conceptos  Básicos

TERMODINAMICA: La Termodinámica es una rama de la ciencia que trata sobre la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, llamados Leyes Termodinámicas, que rigen nuestra existencia aquí en la tierra, varios de los cuales son básicos para el estudio de la refrigeración. La primera y la más importante de estas leyes dice: La energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro.
Refri 5CALOR: El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía en calor; por ejemplo, la energía mecánica que opera una rueda causa fricción y crea calor. Calor es frecuentemente definido como energía en tránsito, porque nunca se mantiene estática, ya que siempre está transmitiéndose de los cuerpos cálidos a los cuerpos fríos. La mayor parte del calor en la tierra se deriva de las radiaciones del sol. Una cuchara sumergida en agua helada pierde su calor y se enfría; una cuchara sumergida en café caliente absorbe el calor del café y se calienta. Sin embargo, las palabras “más caliente” y “más frío”, son sólo términos comparativos. Existe calor a cualquier temperatura arriba de cero absoluto, incluso en cantidades extremadamente pequeñas. Cero absoluto es el término usado por los científicos para describir la temperatura más baja que teóricamente es posible lograr, en la cual no existe calor, y que es de -2730C, o sea -4600F. La temperatura más fría que podemos sentir en la tierra es mucho más alta en comparación con esta base.

Las unidades más comunes utilizadas para medir el calor son: calorías, Btu (unidad térmica británica) y los joules.

Una caloría, para fines prácticos, se define como la cantidad de calor que se debe agregar a un gramo de agua para aumentar su temperatura en un grado Celsius. Del mismo modo se define el Btu como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenhiet. Lo cual significa que si a un gramo de agua se le proporciona una caloría su temperatura aumentará . Del mismo modo: si a una libra de agua se le proporciona 1Btu. su temperatura aumentará

 

TRANSMISION DE CALOR: La segunda ley importante de la termodinámica es aquella según la cual el calor siempre viaja del cuerpo más cálido al cuerpo más frío. El grado de transmisión es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos cuerpos.

El calor puede viajar en tres diferentes formas: Radiación, Conducción y Convección.

Radiación es la transmisión de calor por ondas similares a las ondas de luz y a las ondas de radio; un ejemplo de radiación es la transmisión de energía solar a la tierra. Una persona puede sentir el impacto de las ondas de calor, moviéndose de la sombra a la luz del sol, aun cuando la temperatura del aire a su alrededor sea idéntica en ambos lugares. Hay poca radiación a bajas temperaturas, también cuando la diferencia de temperaturas entre los cuerpos es pequeña, por lo tanto, la radiación tiene poca importancia en el proceso de refrigeración.

Conducción es el flujo de calor a través de una substancia. Para que haya transmisión de calor entre dos cuerpos en esta forma, se requiere contacto físico real. La Conducción es una forma de transmisión de calor sumamente eficiente.

Convección es el flujo de calor por medio de un fluido, que puede ser un gas o un líquido, generalmente agua o aire. El aire puede ser calentado en un horno y después descargado en el cuarto donde se encuentran los objetos que deben ser calentados por convección.

La aplicación típica de refrigeración es una combinación de los tres procesos citados anteriormente. La transmisión de calor no puede tener lugar sin que exista una diferencia de temperatura.
TEMPERATURA: La temperatura es la escala usada para medir la intensidad del calor y es Refri 6el indicador que determina la dirección en que se moverá la energía de calor. También puede definirse como el grado de calor sensible que tiene un cuerpo en comparación con otro. En algunos países, la temperatura se mide en Grados Fahrenheit, pero en nuestro país, y generalmente en el resto del mundo, se usa la escala de Grados Centígrados, algunas veces llamada Celsius. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común: el punto de congelación y el de ebullición del agua al nivel del mar. Al nivel del mar, el agua se congela a 0°C o a 320°F y hierve a 100°C o a 2120°F. En la escala Fahrenheit, la diferencia de temperatura entre estos dos puntos está dividida en 180 incrementos de igual magnitud llamados grados Fahrenheit, mientras que en la escala Centígrados, la diferencia de temperatura está dividida en 100 incrementos iguales llamados grados Centígrados.