SERWAY - JEWETT

Sección 22.2 Bombas de calor y refrigeradores 615
¿Qué pasaría si?
responder?
Suponga que se le pregunta por la potencia de salida de la máquina. ¿Tiene suficiente información para
Respuesta No, no tiene suficiente información. La potencia de una máquina es la rapidez a la que realiza trabajo. Sabe cuánto
trabajo se realiza por ciclo, pero no tiene información acerca del intervalo de tiempo asociado con un ciclo. Sin embargo,
si se le dijera que la máquina opera a 2 000 rpm (revoluciones por minuto), podría relacionar esta proporción con el periodo
de rotación T del mecanismo de la máquina. Si supone que hay un ciclo termodinámico por revolución, la potencia es
W máq
T
5.0 10 2 J
1
12 000 min2 a 1 min
60 s b 1.7 104 W
22.2 Bombas de calor y refrigeradores
En una máquina térmica la dirección de la transferencia de energía es del depósito caliente
al depósito frío, que es la dirección natural. La función de la máquina térmica es
procesar la energía del depósito caliente de modo que se transforme en trabajo útil. ¿Qué
pasaría si se quiere transferir energía del depósito frío al depósito caliente? Ya que no es
la dirección natural de la transferencia de energía, se debe poner algo de energía en un
dispositivo para lograrlo. Los dispositivos que realizan esta tarea se llaman bombas de calor
y refrigeradores. Por ejemplo, los hogares en verano se enfrían con el uso de bombas de
calor llamadas acondicionadores de aire. El acondicionador de aire transfiere energía de la
habitación fría en la casa al aire caliente exterior.
En un refrigerador o bomba de calor, la máquina toma energía Q c de un depósito frío
y expulsa energía Q h a un depósito caliente (figura 22.4), que se puede lograr sólo si se
realiza trabajo en la máquina. A partir de la primera ley, se sabe que la energía expulsada
al depósito caliente debe ser igual a la suma del trabajo realizado y la energía que se toma
del depósito frío. Por lo tanto, el refrigerador o bomba de calor transfiere energía desde
un cuerpo más frío (por ejemplo, los contenidos de un refrigerador de cocina o el aire
invernal afuera de un edificio) a un cuerpo más caliente (el aire en la cocina o a una habitación
en el edificio). En la práctica, es deseable llevar a cabo este proceso con un mínimo de
trabajo. Si el proceso se pudiera lograr sin realizar trabajo alguno, el refrigerador o bomba
de calor sería “perfecto” (figura 22.5). De nuevo, la existencia de tal dispositivo violaría la
segunda ley de la termodinámica, que en la forma del enunciado de Clausius 3 afirma:
Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea transferir energía
de manera continua mediante calor desde un objeto a otro a una mayor temperatura
sin la entrada de energía por trabajo.
En términos más simples, la energía no se transfiere espontáneamente por calor de un
objeto frío a un objeto caliente.
Los enunciados de Clausius y de Kelvin–Planck de la segunda ley de la termodinámica
aparecen, a primera vista, como desconectados, pero de hecho son equivalentes en todos
los aspectos. Aunque no se prueba aquí, si algún enunciado es falso, también lo es el
otro. 4
En la práctica, una bomba de calor consiste en un fluido que circula a través de dos conjuntos
de serpentines metálicos que intercambian energía con los alrededores. El fluido
es frío y a baja presión cuando está en los serpentines ubicados en un ambiente frío,
donde absorbe energía por calor. En tal caso el fluido caliente resultante se comprime y
entra a los otros serpentines como un fluido caliente de alta presión. Ahí libera su energía
almacenada a los alrededores calientes. En un acondicionador de aire, la energía se
absorbe en el fluido de los serpentines ubicados en el interior de un edificio; después de
que el fluido se comprime, la energía deja el fluido a través de serpentines ubicados en el
3 Expresada por primera vez por Rudolf Clausius (1822–1888).
4 Vea un texto avanzado de termodinámica para esta prueba.
Depósito caliente a T h
Q h
Bomba
de
calor
Q c
Depósito frío a T c
W
Figura 22.4 Diagrama
esquemático de una bomba de
calor, que toma energía Q c 0 de
un depósito frío y expulsa energía
Q h 0 a un depósito caliente.
El trabajo W se invierte en la
bomba de calor. Un refrigerador
funciona de la misma forma.
Depósito caliente a T h
Bomba
de
calor
Q c
Q c
Depósito frío a T c
Bomba de calor imposible
Figura 22.5 Diagrama
esquemático de una bomba de
calor o refrigerador imposible:
uno que toma energía de un
depósito frío y expulsa una
cantidad equivalente de energía a
un depósito caliente sin la entrada
de energía por calor.