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• Jorge Gutiérrez

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CENTRO DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ACADEMIA DE QUÍMICA QFB 5to.- SEMESTRE

LABORATORIO DE FISICO-QUÍMICA PROFESOR: M. en C. Jorge Humberto Martínez

ALUMNAS:

 Gutiérrez Diaz, Marcela Isabel.  López López, Adriana.  Oshiro Hernández, Leslie Jurami.  Ojeda Rodríguez, Ana Paulina.

Reporte 3: Bomba térmica, refrigerador.

28- Febrero-2019

Objetivo:  Conocer las partes principales y funcionamiento de un refrigerador.

Introducción: Se define ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas. (Rolle, 2006)

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico que se produce en un equipo o máquina cuando trabaja absorbiendo una cantidad de calor Q1 de una fuente de mayor temperatura y cediendo un calor Q2 a la de menor temperatura produciendo un trabajo sobre el exterior. Los teoremas de Carnot son: “No puede existir una maquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot que funcione entre esas mismas fuentes térmicas” y “Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento”. (Moran & Shapiro, 2004)

Fig, A: Imagen tomada del libro de Rolle (2006), que muestra de forma gráfica y representativa el ciclo de Carnot. La bomba de calor es una máquina térmica que, utilizando un gas refrigerante en un ciclo termodinámico cerrado, transfiere calor invirtiendo el flujo natural de modo que fluya de una temperatura más baja a una más alta. El propósito de un

refrigerador es mantener una temperatura baja adecuada, y su funcionamiento se basa en la bomba térmica. (Alvarado, 2010)

Material y Equipo: Refrigerador didáctico.

Metodología:

Resultados:  Diagrama del refrigerador

Fig. B: Se muestra de forma gráfica las partes del refrigerador, así como la ruta del gas refrigerante.

Fig. C: Se muestra la estructura completa del refrigerador visto en el laboratorio.

 Funcionamiento del refrigerador El funcionamiento de un refrigerador es sencillo aunque envuelve algunos procesos fisicoquímicos. Inicialmente debe hacer que fluya el refrigerante por las tuberías internas, y con cambios en la variación de la presión y temperatura este se tornará gaseoso. (Allen Tipler & Mosca , 2005) A medida que se va cambiando de fase, hay una interacción entre el líquido refrigerante y el medio en el cual se encuentra. Cuando el refrigerante capta el calor en el interior del refrigerador, hace que se enfríe el artefacto y deja salir el calor al medio ambiente cuando pasa por el sistema de recambio, expulsando aire caliente. (Allen Tipler & Mosca , 2005)  Etapas del refrigerador Primera etapa de refrigerado: La presión y la temperatura del gas refrigerante aumentan por la acción del compresor. Segunda etapa de refrigerado: Luego en el condensador, el gas a alta presión pasa a su estado líquido mediante la extracción de calor. En esta etapa la presión del sistema no se ve alterada. Tercera etapa de refrigerado: El gas pasa por la válvula de expansión presuestática, es decir, la temperatura y la presión se reducen de forma brusca, quedando el refrigerante en un estado líquido-gaseoso. Cuarta etapa de refrigerado: En el evaporador, después de absorber el calor del interior, el refrigerante se vuelve gaseoso. Ingresa al compresor y comenzar nuevamente el ciclo, en esta etapa la presión es constante. (Nunez, 2002)

Discusión: Se generó la metodología adecuada para verificar el funcionamiento del refrigerador con el principio de Carnot ya que fue uno de los ingenieros franceses que se propusieron estudiar los principios científicos subyacentes al funcionamiento de la máquina de vapor con el objetivo de lograr la máxima potencia de salida con la máxima eficiencia. Como resultado de sus estudios, Carnot y otros ayudaron a establecer la física del calor, lo que se conoce como termodinámica. (Rolle, 2006)

De esta forma se comenzó con la observación experimental de que el calor no fluye por sí solo de un cuerpo frío a uno caliente por lo que se deduce que en una situación dada, se hace fluir calor de lo frío a lo caliente, por lo que debe tener lugar algún otro cambio en otra parte. Es decir, debe realizarse algún trabajo. (Allen Tipler & Mosca , 2005)

Entonces el funcionamiento de un refrigerador es similar pero su ciclo actúa de manera inversa a una máquina de vapor y sigue siendo igual de eficiente que una maquina ideal. Una máquina reversible o también llamada inversa, es aquella en la que el ciclo desde la energía de entrada al trabajo de salida más la energía residual, y vuelta a la energía de entrada, se puede ejecutar en sentido inverso sin ninguna pérdida o ganancia adicional de calor u otras formas de energía. Carnot calculó la eficiencia de este ciclo, esquemático y encontró que las proporciones de calor y trabajo en una máquina reversible dependen solamente de la temperatura de la sustancia caliente desde la cual la máquina obtiene el calor y la temperatura de la sustancia fría que extrae el calor residual de la máquina. (Alvarado, 2010) El refrigerador funciona a base de un sistema o circuito cerrado de procesos, que opera gracias a un gas refrigerante (éter nitroso, un líquido de evaporación volátil). Este circuito, consta de dos procesos, uno de compresión y otro de descompresión del gas, que lo hacen pasar de estado gaseoso a líquido y viceversa. Por medio de estos dos procesos, el refrigerador es capaz de generar frío para su interior y liberar el calor a través de la rejilla con que cuenta en la parte posterior, que también se denomina condensador. Para poder controlar

estos procesos, los refrigeradores cuentan con un sistema de termostato para regular el frío de su interior, que controla el proceso de compresión del gas refrigerante. Es posible sacar la energía de calor debido a que el líquido refrigerante es muy volátil, es decir, puede pasar de estado líquido a gaseoso a temperaturas muy bajas.

Conclusión: Se generó una metodología adecuada siendo de forma exitosa para conocer las partes principales y funcionamiento de un refrigerador mediante el ciclo de Carnot y sus partes vitales que lo componen. De igual manera se generó el proceso para la recopilación de la información previa, el desarrollo durante la práctica y la generación de ejecución de la investigación así como toda la información requerida. Logrando con ello, poder poner en práctica todo este conocimiento en un futuro académico o laboral pero siempre teniendo en cuenta las consideraciones adecuadas de este tipo de ciclos y sus funciones vitales.

Cuestionario: 1. Como se logra transferir calor de la zona de baja temperatura hacia la zona de alta temperatura

La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y se produce gracias a las colisiones de las moléculas. En el lugar donde los dos objetos se ponen en contacto, las moléculas del objeto caliente, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto frío, que se mueven más despacio. A medida que colisionan las moléculas rápidas dan algo de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas en el objeto frío. Este proceso continúa hasta que la energía

del objeto caliente se extiende por el objeto frío. Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor. Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre que toca algo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava las manos en agua caliente o fría. (Giancoli, 2006)

2. Que otras aplicaciones tiene la bomba térmica a nivel doméstico o industrial

Sus principales aplicaciones son la climatización de viviendas y edificios, optando por sólo calefacción, calefacción y refrigeración, y pudiendo aportar también la producción de alimentos. También se usan para el calentamiento de agua de piscinas, para cubrir las necesidades de agua caliente en procesos de lavandería o limpieza o para procesos de secado en sectores como la madera, embutidos. (Rolle, 2006)

3. Como calcularía la eficiencia termodinámica del refrigerador

El equivalente al rendimiento es el coeficiente de desempeño, que para un refrigerador que funcione mediante un ciclo reversible es:

COP

𝑟𝑒𝑣 𝑅

=

𝑄𝑖𝑛 𝑊𝑖𝑛

= 𝑇𝑐𝑇−𝑓𝑇𝑓 (Tipler, 2005)

4. ¿El refrigerador funciona en forma similar al ciclo de Carnot?

Se sabe que el calor se transfiere en la dirección de la temperatura más alta a la más baja, este proceso ocurre en la naturaleza sin requerir ningún

dispositivo. Sin embargo, el proceso inverso no puede ocurrir por sí mismo, como lo dice el enunciado de Clausius. La transferencia de calor de un medio que se encuentra a baja temperatura hacia otro de temperatura alta requiere de un refrigerador. Al invertir el ciclo de la máquina térmica de Carnot, obtenemos un ciclo de refrigeración de Carnot. Todos los procesos son internamente reversibles.

(Burbano, 2003)

Bibliografía: 1. Alvarado, G. R. (2010). Principios de termodinámica. México, D.F. Instituto Politécnico Nacional. 2. Allen Tipler, P., & Mosca , G. (2005). Física para la ciencia y la tecnologia . México: Reverte. (Pág. 112-115) 3. Barcelona: Reverte. (Pág. 515-527) 4. Burbano, E.S. (2003). Física general. Editorial Tebar. 5. Giancoli, D. C. (2006). Fisica Volumen 2. Pearson Educación. 6. Morán, M & Shapiro, H. (2004). Fundamentos de termodinámica técnica. 7. Nunez, M. (2002). Física/Physics. México : Editorial Limusa. (Pág. 289290). 8. Rolle,K. (2006). Termodinamica. Mexico, Pearson. (pág. 238-245). 9. Tipler, G. M. (2005). Física para la ciencia y la tecnología. Reverte.