4.3 Refrigeradores y bombas de calor

Los ciclos que utilizamos para describir la máquina en la sección anterior son todos reversibles, por lo que cada secuencia de pasos puede realizarse fácilmente en la dirección opuesta. En este caso, la máquina se conoce como un refrigerador o una bomba de calor, dependiendo de cuál sea el objetivo: el calor extraído del reservorio frío o el calor vertido al reservorio caliente. Un refrigerador o una bomba de calor es una máquina que funciona a la inversa. En el caso de un refrigerador, el objetivo es eliminar el calor de una zona concreta. En el caso de una bomba de calor, el objetivo es descargar el calor en una zona específica.

Consideramos primero un refrigerador (Figura 4.6). El propósito de esta máquina es eliminar el calor del reservorio frío, que es el espacio dentro de la nevera para un refrigerador doméstico real o el espacio dentro de un edificio para una unidad de aire acondicionado.

Figura 4.6 Representación esquemática de un refrigerador (o una bomba de calor). La flecha junto al trabajo(W) indica el trabajo que se está realizando en el sistema.

Un refrigerador (o bomba de calor) absorbe el calor $Q_{\text{c}}$ del reservorio frío a temperatura Kelvin $T_{\text{c}}$ y descarta el calor $Q_{\text{h}}$ al reservorio caliente a temperatura Kelvin $T_{\text{h}},$ mientras que el trabajo W se realiza en la sustancia de trabajo de la máquina, como lo muestra la flecha que apunta hacia el sistema en la figura. Un refrigerador doméstico extrae el calor de los alimentos que contiene y expulsa el calor al aire circundante. El trabajo necesario, por el que pagamos en nuestra factura de la luz, lo realiza la máquina que mueve un refrigerante a través de las bobinas. En la Figura 4.7 se ofrece un esquema de un refrigerador doméstico.

Figura 4.7 Diagrama esquemático de un refrigerador doméstico. Un refrigerante con una temperatura de ebullición inferior al punto de congelación del agua se envía a través del ciclo (en el sentido de las agujas del reloj en este diagrama). El refrigerante extrae el calor del refrigerador en el evaporador, haciendo que el refrigerante se vaporice. A continuación, se comprime y se envía a través del condensador, donde expulsa el calor al exterior.

La eficacia o el coeficiente de rendimiento $K_{\text{R}}$ de un refrigerador se mide por el calor extraído del reservorio frío dividido por el trabajo realizado por la sustancia de trabajo ciclo a ciclo:

Observe que hemos utilizado la condición de conservación de energía, $W=Q_{\text{h}}-Q_{\text{c}},$ en el último paso de esta expresión.

La eficacia o el coeficiente de rendimiento $K_{\text{P}}$ de una bomba de calor se mide por el calor vertido al reservorio caliente dividido por el trabajo realizado a la máquina en la sustancia de trabajo ciclo a ciclo:

Una vez más, utilizamos la condición de conservación de energía $W=Q_{\text{h}}-Q_{\text{c}}$ para obtener el último paso de esta expresión.