Bueno este es mi primer post, sepan disculpar cualquier error.
Ahora que estamos en verano vemos bastante nuestra dependencia de la heladera para enfriar alimentos, podríamos preguntarnos como es que se mantienen frías las cosas en su interior, porque siempre, por más bien aislado que esté algo, pasado un rato, termina a temperatura ambiente, a no ser que lo guardemos en la heladera (y no esté rota). Pero, ¿qué es lo que la hace tan especial?
Este es un enfoque más que nada de divulgación científica de la explicación de como hacer para que el calor fluya de un lugar frío a uno caliente. Para que todos entiendan primero voy a poner algunas definiciones bien simplificadas que son necesarias.
¿Qué es el trabajo?
Yo realizo trabajo sobre un cuerpo si le aplico una fuerza y logro moverlo una distancia mientras aplico la fuerza (solo mientras la aplico). Se simboliza con la letra W.
¿Qué es la energía?
La energía es, en cierta forma, una medida de la capacidad de realizar trabajo que tiene un ente físico (una pelota, un átomo, un avión, cualquier cosa). Existen básicamente dos formas de energía, la energía potencial que es la energía acumulada por dos o más cuerpos (por ejemplo la energía que se acumula en un resorte al apretarlo) y la energía cinética que es la energía asociada al cuadrado de la rapidez de un cuerpo.
Ahora, hay un problema con la definición de energía que mencioné . Si bien en un gas, por ejemplo, hay muchas partículas con energía cinética, no toda (sólo una porción) se puede aprovechar para realizar trabajo a escala macroscópica porque las partículas se mueven en direcciones aleatorias y no es posible hacer que liberen toda su energía cinética ya que pueden ir en infinitas direcciones y además son demasiado chicas. Se dice que esta energía (la que no se puede aprovechar macroscópicamente) es energía del desorden.
¿Qué es la temperatura?
La temperatura es una propiedad de objetos macroscópicos asociada a la energía cinética de los átomos constituyentes. En realidad se podría hablar de energía únicamente pero el uso de escalas de temperatura está arraigado históricamente.
Ley cero de la termodinámica
Dos o más cuerpos que estén en contacto o cercanos en el espacio pero a diferentes temperaturas, se transferiran energía de modo que lleguen al equilibrio térmico, ósea que los cuerpos llegaran a tener la misma temperatura. Esta transferencia de energía se denomina calor.
Si bien el calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos con diferente temperatura, a este fenómeno se le dice también transferencia de calor. Este mal uso de la palabra calor ya está profundamente arraigado en todos los científicos e ingenieros. El calor se simboliza con la letra Q.
Primera ley de la termodinámica
Esta es la ley de conservación de la energía, la energía no se crea ni se destruye.
Si bien a nivel macroscópico esto es muy cierto, en física cuántica el principio de incertidumbre permite violar la conservación de la energía durante un breve periodo de tiempo, siempre y cuando luego todo vuelva a la normalidad. A nosotros esto no nos importa.
¿Qué es una máquina térmica?
Una máquina térmica es una máquina que aprovecha la transferencia de calor hacia un cuerpo para convertirla parcialmente en trabajo.
Segunda ley de la termodinámica
Esta ley hace referencia que no hay una máquina térmica 100% eficiente, ósea que transforme todo el calor en trabajo. Esto tiene que ver con lo que dije de la energía del desorden. Esta ley tiene varios enunciados (muchas formas de escribirse que son equivalentes) y al igual que la primera ley de la termodinámica también se puede violar en física cuántica, pero a nivel macroscópico es casi imposible tener la suerte de observar dicha violación, diría que probablemente nunca se dio en la historia del universo .
Una forma útil de hacer mención de este principio es decir que la energía NO se transfiere de manera espontánea de un objeto frío a uno caliente.
Bueno ahora sí:
En una heladera tenemos un líquido llamado refrigerante, como puede ser el R-134a. Este líquido circula a través de un circuito cerrado con varias tuberías, no se pierde a no ser por fugas. El refrigerante es un material muy especial que tiene un punto de ebullición muy bajo (-20ºC) a presiones mayores a la atmosférica, además no debe ser tóxico ni dañar la capa de ozono.
En una primera instancia el refrigerante se encuentra en estado líquido y se expande en un dispositivo llamado válvula de expansión, al expandirse parte del líquido se convierte en gas y, en promedio, la temperatura del refrigerante disminuye a un valor menor que la temperatura del interior de la heladera.
Luego de este proceso el refrigerante entra en las tuberías de la heladera, las cuales son medio largas y bien distribuidas, estas se conocen como serpentinas del evaporador. De este modo el calor fluye del interior de la heladera al refrigerante de manera que el refrigerante se vuelve completamente un gas.
Luego este se dirige hacia un compresor donde se comprime hasta cierta presión. Como consecuencia el gas se calienta a una temperatura superior a la del ambiente. Una vez fuera del compresor se dirige hacia el condensador (que sería la serpentina que está atrás de la heladera), el gas está ahora más caliente que el ambiente por lo que el calor fluye hacia el ambiente hasta que la temperatura del gas baja tanto que este se condensa totalmente en líquido.
Luego el líquido vuelve a entrar en la válvula de expansión y el ciclo se repite.
De este manera (empírica) se ve que para que el calor fluya desde un lugar frío hacia uno caliente hace falta aplicar trabajo (en este caso el trabajo del compresor). Como muestro en este dibujo se conserva la energía y se también se cumple el segundo principio.
Acá abajo un circuito de heladera, el tubo capilar vendría a cumplir la función de expansión del líquido.
Ahora que estamos en verano vemos bastante nuestra dependencia de la heladera para enfriar alimentos, podríamos preguntarnos como es que se mantienen frías las cosas en su interior, porque siempre, por más bien aislado que esté algo, pasado un rato, termina a temperatura ambiente, a no ser que lo guardemos en la heladera (y no esté rota). Pero, ¿qué es lo que la hace tan especial?
Este es un enfoque más que nada de divulgación científica de la explicación de como hacer para que el calor fluya de un lugar frío a uno caliente. Para que todos entiendan primero voy a poner algunas definiciones bien simplificadas que son necesarias.
¿Qué es el trabajo?
Yo realizo trabajo sobre un cuerpo si le aplico una fuerza y logro moverlo una distancia mientras aplico la fuerza (solo mientras la aplico). Se simboliza con la letra W.
¿Qué es la energía?
La energía es, en cierta forma, una medida de la capacidad de realizar trabajo que tiene un ente físico (una pelota, un átomo, un avión, cualquier cosa). Existen básicamente dos formas de energía, la energía potencial que es la energía acumulada por dos o más cuerpos (por ejemplo la energía que se acumula en un resorte al apretarlo) y la energía cinética que es la energía asociada al cuadrado de la rapidez de un cuerpo.
Ahora, hay un problema con la definición de energía que mencioné . Si bien en un gas, por ejemplo, hay muchas partículas con energía cinética, no toda (sólo una porción) se puede aprovechar para realizar trabajo a escala macroscópica porque las partículas se mueven en direcciones aleatorias y no es posible hacer que liberen toda su energía cinética ya que pueden ir en infinitas direcciones y además son demasiado chicas. Se dice que esta energía (la que no se puede aprovechar macroscópicamente) es energía del desorden.
¿Qué es la temperatura?
La temperatura es una propiedad de objetos macroscópicos asociada a la energía cinética de los átomos constituyentes. En realidad se podría hablar de energía únicamente pero el uso de escalas de temperatura está arraigado históricamente.
Ley cero de la termodinámica
Dos o más cuerpos que estén en contacto o cercanos en el espacio pero a diferentes temperaturas, se transferiran energía de modo que lleguen al equilibrio térmico, ósea que los cuerpos llegaran a tener la misma temperatura. Esta transferencia de energía se denomina calor.
Si bien el calor es la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos con diferente temperatura, a este fenómeno se le dice también transferencia de calor. Este mal uso de la palabra calor ya está profundamente arraigado en todos los científicos e ingenieros. El calor se simboliza con la letra Q.
Primera ley de la termodinámica
Esta es la ley de conservación de la energía, la energía no se crea ni se destruye.
Si bien a nivel macroscópico esto es muy cierto, en física cuántica el principio de incertidumbre permite violar la conservación de la energía durante un breve periodo de tiempo, siempre y cuando luego todo vuelva a la normalidad. A nosotros esto no nos importa.
¿Qué es una máquina térmica?
Una máquina térmica es una máquina que aprovecha la transferencia de calor hacia un cuerpo para convertirla parcialmente en trabajo.
Segunda ley de la termodinámica
Esta ley hace referencia que no hay una máquina térmica 100% eficiente, ósea que transforme todo el calor en trabajo. Esto tiene que ver con lo que dije de la energía del desorden. Esta ley tiene varios enunciados (muchas formas de escribirse que son equivalentes) y al igual que la primera ley de la termodinámica también se puede violar en física cuántica, pero a nivel macroscópico es casi imposible tener la suerte de observar dicha violación, diría que probablemente nunca se dio en la historia del universo .
Una forma útil de hacer mención de este principio es decir que la energía NO se transfiere de manera espontánea de un objeto frío a uno caliente.
Bueno ahora sí:
En una heladera tenemos un líquido llamado refrigerante, como puede ser el R-134a. Este líquido circula a través de un circuito cerrado con varias tuberías, no se pierde a no ser por fugas. El refrigerante es un material muy especial que tiene un punto de ebullición muy bajo (-20ºC) a presiones mayores a la atmosférica, además no debe ser tóxico ni dañar la capa de ozono.
En una primera instancia el refrigerante se encuentra en estado líquido y se expande en un dispositivo llamado válvula de expansión, al expandirse parte del líquido se convierte en gas y, en promedio, la temperatura del refrigerante disminuye a un valor menor que la temperatura del interior de la heladera.
Luego de este proceso el refrigerante entra en las tuberías de la heladera, las cuales son medio largas y bien distribuidas, estas se conocen como serpentinas del evaporador. De este modo el calor fluye del interior de la heladera al refrigerante de manera que el refrigerante se vuelve completamente un gas.
Luego este se dirige hacia un compresor donde se comprime hasta cierta presión. Como consecuencia el gas se calienta a una temperatura superior a la del ambiente. Una vez fuera del compresor se dirige hacia el condensador (que sería la serpentina que está atrás de la heladera), el gas está ahora más caliente que el ambiente por lo que el calor fluye hacia el ambiente hasta que la temperatura del gas baja tanto que este se condensa totalmente en líquido.
Luego el líquido vuelve a entrar en la válvula de expansión y el ciclo se repite.
De este manera (empírica) se ve que para que el calor fluya desde un lugar frío hacia uno caliente hace falta aplicar trabajo (en este caso el trabajo del compresor). Como muestro en este dibujo se conserva la energía y se también se cumple el segundo principio.
Acá abajo un circuito de heladera, el tubo capilar vendría a cumplir la función de expansión del líquido.
Gracias por pasar!