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Objetivo Comprender el proceso de refrigeración por compresión que opera irreversiblemente y compararlo con el refrigerador de Carnot que es un sistema que opera reversiblemente. Guía de estudios 1. ¿En qué consiste el refrigerador de Carnot? El refrigerador de Carnot, opera en sentido inverso al de la máquina de Carnot. El motor extrae calor de la fuente fría y lo cede a la fuente caliente, en contra de la tendencia natural del flujo de calor, por lo que es necesario invertir trabajo externo para que sea esto posible. Los signos de los flujos de energía se invierten. Cuando el ciclo de Carnot se opera en sentido contrario a las manecillas del reloj, todas las cantidades de calor y trabajo cambian de signo (con relación al ciclo de Carnot Wc = (+)), en lugar de producir trabajo, se destruye, Wc = Wciclo (-), y se pierde calor Q ciclo = (-) del sistema. 2. A partir de la primera ley de la termodinámica, deduzca la expresión para obtener el trabajo destruido en el refrigerador de Carnot. W= IQHI-IQcl La medida de la eficacia de un refrigerador es su coeficiente de desempeño ω, definido como: (J.M. Smith, 2007) 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎 𝑢𝑛𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑚𝑎𝑠 𝑏𝑎𝑗𝑎 |𝑄𝑐| 𝜔= = 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑛𝑒𝑡𝑜 𝑊 𝑊 |𝑄𝑐|

=

𝜔=𝑇

|𝑄𝐻 | |𝑄𝑐|

−1

𝑊 |𝑄𝑐|

𝑇

= 𝑇𝐶𝐻 − 1 =

𝑇𝐻−𝑇𝐶 𝑇𝐶

𝑇𝐶 𝐻 −𝑇𝐶

3. Utilizando el experimento de Joule-Thomson demuestre que en el proceso de expansión (proceso de estrangulamiento) la entalpia es constante. El diseño para este experimento se muestra en la figura: consiste en hacer pasar un gas, inicialmente a temperatura Ti y presión Pi, a través de una membrana porosa que le permite descender su presión a un valor Pf, con el consiguiente cambio de temperatura. El proceso se lleva a cabo en recipientes aislados térmicamente del exterior y es relativamente lento, debido a que la membrana dificulta el paso del gas

Como el proceso se lleva adelante aislando térmicamente el sistema, los cambios en la energía interna se deberán solamente al trabajo realizado sobre el sistema: 𝑉

0

𝑈𝑓 − 𝑈𝑖 = 𝑊 = − ∫0 𝑓 𝑃𝑓 𝑑𝑉 − ∫𝑉 𝑃𝑖 𝑑𝑉 = 𝑃𝑖 𝑉𝑖 − 𝑃𝑓 𝑉𝑓 𝑖

𝑈𝑓 + 𝑃𝑓 𝑉𝑓 = 𝑈𝑖 + 𝑃𝑖 𝑉𝑖 o bien 𝐻𝑓 = 𝐻𝑖 Es decir que el proceso se realiza a entalpía constante. 4. Bajo qué condiciones un fluido que experimenta un proceso de compresión y/o uno de expansión la entropía es constante. Bajo un sistema reversible y adiabático. En estas condiciones la entropía es constante (ΔS=0). 5. Bajo qué condiciones el cambio de entalpia es igual al calor. A presión constante, en un proceso cerrado mecánicamente reversible. 6. ¿Por qué el ciclo de compresión de vapor es un ciclo irreversible?, mencione que propiedad de estado nos indica lo anterior. Dos fuentes comunes de irreversibilidad son la fricción del fluido (causa caídas de presión) y la transferencia de calor hacia o desde los alrededores

7. Dibuje un diagrama de las isotermas de un gas real, señalando las fases presentes.

8. ¿Qué es un vapor sobrecalentado? Un vapor que no está a punto de condensarse (es decir, no es vapor saturado). 9. ¿Qué es un líquido subenfriado? También llamado liquido comprimido, es aquella sustancia que existe en fase liquida a 20°C y 1 atm de presión, lo cual significa que no está a punto de evaporarse. 10. ¿Qué es el punto crítico de un gas? Punto en el que los estados de líquido saturado y de vapor saturado son idénticos. Del mismo modo, es el punto en el cual las densidades del líquido y del vapor son iguales.

Procedimiento 5

Medir presión barométrica 1

Encender banco de refrigeración. Operar durante 21 minutos. 5

Revisar que en vaso de vidrio de 5 L que contiene un serpentín por donde circula el refrigerante, contenga suficiente cantidad de glicol.

Tomar las temperaturas: a la entrada del compresor T1, a la salida del compresor T2 y salida del compresor T3.

2

6

Revisar que en el otro vaso de vidrio de 5 L que contiene un serpentín y que funciona como condensador, contenga la cantidad de agua necesaria para cubrir el serpentín y que se encuentre a temperatura ambiente.

Leer presiones en manómetros azules (PB1 y PB2 para presiones bajas). 7

3

Leer presiones en manómetros rojos (PA1 y PA2 para presiones altas).

Tomar temperaturas de agua y glicol.

8

4 9 5

Tomar temperatura de la reserva fría, TF, del glicol en el evaporador y la de la reserva caliente, TC, del agua en el condensador. 9

Apagar banco de refrigeración. Presionar botón STOP, bajar interruptor y desconectar tomando la clavija (no jalar en clave). 10