CONCEPTOS FÍSICOS

CONCEPTOS TERMODINÁMICOS

Circuito de refrigeración reversible
de una bomba de calor.

Circuito de refrigeración líquida
al interior de una computadora.

Un circuito de refrigeración corresponde a un arreglo mecánico basado en los principios de la termodinámica y mecánica de fluidos diseñado para transferir energía térmica entre dos focos, desplazando la energía térmica contenida en uno de sus focos a fin de obtener una menor temperatura en este. Estos focos suelen ser sistemas termodinámicamente cerrados.

Este cometido se lleva a cabo forzando la circulación de un fluido refrigerante por el interior de un circuito cerrado -o semicerrado- de tuberías e intercambiadores de calor. La circulación de este fluido refrigerante se realizará a través de máquinas de fluidocomo compresores y/o bombas, conforme la naturaleza y estadodel refrigerante.

La constitución y configuración de un circuito de refrigeración no guarda un estándar establecido ya que varía conforme la aplicación y fluido utilizado. Estos varían desde el clásico enfriamiento por agua en motores de combustión interna por medio de radiadores, pasando por sistemas de refrigeraciónindustrial para la industria de alimentos, hasta el control de temperatura de condensadores en centrales nucleares por medio de torres de refrigeración, entre muchas otras aplicaciones.

El término de circuito de refrigeración se suele reemplazar por el de sistema frigorífico o sistema de refrigeración en aplicaciones de refrigeración industrial, debido a la complejidad de estos sistemas y –principalmente- a que están constituidos por dos o más intercambiadores de calor en los cuales el refrigerante sufre un cambio de estado en el cual el intercambio de calor latente es el que genera el fenómeno de refrigeración, así como al complejo sistema de control automático asociado.

En muchos casos, para que este desplazamiento de energía se lleve a cabo de buena manera, es importante que uno de los focos esté relativamente aislado del exterior para someterlo a estudio como un sistema termodinámico cerrado.

El circuito frigorífico usado en la refrigeración es un circuito cerrado llamado de "compresión de vapor".

Este aprovecha la evaporación de un fluido refrigerante dentro del circuito, en particular en un intercambiador de calor llamado evaporador, que absorbe energía del aire circundante que después alcanza el espacio de los alimentos gracias a la convección natural o forzada por ventiladores (ver también "CREAR FRÍO" y "PRESIÓN Y TEMPERATURA").

Una vez evaporado el refrigerante ya no es capaz de absorber energía de forma significativa, por lo tanto es necesario devolverlo a su estado de líquido por medio de la condensación.

Se tiene sin embargo el problema de encontrar un ambiente lo bastante "frío" que absorba energía del refrigerante, que ciertamente no podrá ser el espacio frigorífico recién refrigerado.

Aprovechando la correlación entre presión y temperatura de cambio de estado que hace que a presiones mayores correspondan temperaturas mayores, se utiliza un compresor para llevar el refrigerante a una presión más elevada que la del evaporador (¡incluso 8-10 veces!) de forma que el proceso de condensación puede producirse a temperaturas compatibles con una fuente "fría" fácilmente disponible, típicamente el aire exterior del edificio.

Aquí la condensación se producirá a temperaturas elevadas (solamente 35-55°C) dentro de un intercambiador de calor que pone en contacto el aire exterior con el refrigerante. Este último condensará volviendo al estado líquido mientras que el aire exterior sufrirá un aumento de temperatura.

El refrigerante líquido está todavía a alta presión a la salida del condensador. Es necesario, por lo tanto, un órgano de laminación que expanda el refrigerante líquido reduciendo la presión hasta aquella a la que se produce la evaporación; ahora el refrigerante vuelve al estado inicial (líquido a baja presión y temperatura) y puede absorber nuevamente energía del aire procedente del espacio de los alimentos.

Los principales componentes del circuito frigorífico, por lo tanto, son:

Evaporador: es un intercambiador de calor similar a un radiador en caso de uso con aire (serpentín aleteado) o más compacto en caso de uso con agua (placas, haz tubular); permite el intercambio de energía por conducción entre el refrigerante que se evapora pasando de líquido a gas y el aire (o el agua) que se enfría. La evaporación se produce a presión y temperatura prácticamente constantes salvo alguna pérdida de carga. El refrigerante en la salida será un gas recalentado con una temperatura ligeramente superior a la de evaporación.

Compresor: es un mecanismo de compresión volumétrica, o de reducción progresiva de volumen, basado en sistemas rotativos o alternativos. Su función es hacer circular el fluido refrigerante dentro del circuito, luego aspirarlo en el estado de gas del evaporador y comprimirlo, aumentando su presión, hacia el condensador. El trabajo mecánico del compresor implica también un aumento notable de la temperatura del gas (incluso más de los 100°C) y una absorción de energía eléctrica. El consumo eléctrico de un compresor será tanto mayor cuanto mayor es la diferencia entre las dos presiones a las que trabaja. Es esencial que el refrigerante en la entrada al compresor esté en el estado gaseoso ya que los líquidos son notoriamente incompresibles. El compresor se activa cuando se demanda a la máquina la producción de frío,  por medio de sistemas termostáticos.

Condensador: es un intercambiador de calor análogo al evaporador, de dimensiones ligeramente más generosas también en forma de batería aleteada, placas o haz tubular. Permite el intercambio de energía entre el aire exterior (o agua en su caso) forzado por medio de ventiladores y el refrigerante en forma de gas caliente en la salida hacia el compresor. El refrigerante se enfriará, condensará a temperatura y presión prácticamente constantes y a continuación sufrirá un ligero subenfriamiento. En la salida, por lo tanto, tendremos refrigerante líquido a alta presión y temperatura ligeramente inferior a la temperatura de condensación.

Órgano de laminación: está constituido por un orificio calibrado, un tubo capilar de diámetro reducido o una válvula de regulación de tipo mecánico o motorizada controlada por microprocesador. El estrechamiento creado por el órgano de laminación permite reducir la presión del refrigerante líquido procedente del condensador sin ningún intercambio de energía. Aprovecha el principio de Bernoulli según el cual, por medio de una restricción, la velocidad del fluido aumenta notablemente causando una disminución de presión con una relativa disminución de temperatura. De esta forma el refrigerante líquido vuelve a baja presión y baja temperatura listo para evaporar nuevamente y repetir el ciclo descrito anteriormente.

El órgano de laminación también tiene el propósito de controlar el flujo de refrigerante que atraviesa el circuito. Una cantidad excesiva corre el riesgo de dañar el compresor porque puede que no se evapore del todo en el evaporador y permanece en parte líquido. Una cantidad insuficiente reduce mucho la eficiencia de la máquina ya que el evaporador no se aprovecha.

Coeficiente de dilatación adiabática para diferentes gases1​2​
Temp.	Gas	γ		Temp.	Gas	γ		Temp.	Gas	γ
–181 °C	H2	1,597		200 °C	Aire seco	1,398		20 °C	NO	1,40
–76 °C		1,453		400 °C		1,393		20 °C	N2O	1,31
20 °C		1,41		1000 °C		1,365		–181 °C	N2	1,47
100 °C		1,404		2000 °C		1,088		15 °C		1,404
400 °C		1,387		0 °C	CO2	1,310		20 °C	Cl2	1,34
1000 °C		1,358		20 °C		1,30		–115 °C	CH4	1,41
2000 °C		1,318		100 °C		1,281		–74 °C		1,35
20 °C	He	1,66		400 °C		1,235		20 °C		1,32
20 °C	H2O	1,33		1000 °C		1,195		15 °C	NH3	1,310
100 °C		1,324		20 °C	CO	1,40		19 °C	Ne	1,64
200 °C		1,310		–181 °C	O2	1,45		19 °C	Xe	1,66
–180 °C	Ar	1,76		–76 °C		1,415		19 °C	Kr	1,68
20 °C		1,67		20 °C		1,40		15 °C	SO2	1,29
0 °C	Aire seco	1,403		100 °C		1,399		360 °C	Hg	1,67
20 °C		1,40		200 °C		1,397		15 °C	C2H6	1,22
100 °C		1,401		400 °C		1,394		16 °C	C3H8	1,13

El coeficiente de dilatación adiabática es la razón entre la capacidad calorífica a presión constante (${\displaystyle C_{P}}$) y la capacidad calorífica a volumen constante (${\displaystyle C_{V}}$). A veces es también conocida como factor de expansión isentrópica y razón de calor específico, y se denota con la expresión ${\displaystyle \gamma }$ (gamma) o incluso ${\displaystyle \kappa }$ (kappa). El símbolo empleado como kappa es el que aparece más frecuentemente en los libros de ingeniería química antiguos y es por esta razón por la que se deduce que originariamente se empleaba este.^{[cita requerida]} 

${\displaystyle \gamma ={\frac {C_{P}}{C_{V}}}}$

donde el valor de ${\displaystyle C}$ es el capacidad calorífica o capacidad calorífica específica de un gas, los sufijos ${\displaystyle P}$ y ${\displaystyle V}$ se refieren a las condiciones de presión constante y de volumen constante respectivamente.

Concepto[editar]

Para comprender esta relación entre las capacidades caloríficas a presión y volumen constante se considera el siguiente experimento:

Un cilindro cerrado con un pistón bloqueado contiene aire. La presión interior es igual a la presión atmosférica del aire fuera. Este cilindro se calienta. Dado que el pistón no se puede mover, el volumen es constante. La temperatura y la presión aumentarán. La fuente de calor se detiene y la energía añadida al sistema es proporcional a ${\displaystyle C_{V}}$. El pistón es liberado y se mueve hacia el exterior, la ampliación del volumen, sin intercambio de calor (expansión adiabática). Al hacer esto trabajo (proporcional a ${\displaystyle C_{P}}$) se enfría el aire en el interior del cilindro a la temperatura por debajo de su instante de inicio. Para volver al estado inicial de temperatura (todavía con un pistón libre), el aire debe ser calentado. Este exceso de calor se eleva a cerca del 40 % de la cantidad anterior.

En el ejemplo anterior, tal vez no fuese evidente cómo ${\displaystyle C_{P}}$ debido a que está implicado en la ampliación y posterior calentamiento del sistema y durante el proceso la presión no permanece constante. Otra forma de entender la diferencia entre ${\displaystyle C_{P}}$ y ${\displaystyle C_{V}}$ consiste en considerar la diferencia entre la adición de calor al gas con un pistón bloqueado, y la adición de calor con un pistón con libertad de movimiento, de manera que la presión se mantiene constante. En este caso, el gas se expandirá por el calor causando que el pistón haga el trabajo mecánico contra la atmósfera. El calor que se añade al gas va solo en parte en la calefacción de gas; Mientras que el resto se transforma en el trabajo mecánico realizado por el pistón. En el caso de volumen constante (pistón bloqueado) no existe un movimiento externo, y por lo tanto no se realiza el trabajo mecánico en la atmósfera. Así, la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura del gas (la capacidad térmica) es mayor en el caso de una presión constante.

Relaciones con un gas ideal[editar]

Para un gas ideal la capacidad calorífica es constante con la temperatura. De acuerdo con esta afirmación la entalpía puede expresarse como ${\displaystyle H=C_{P}T}$ y la energía interna como ${\displaystyle U=C_{V}T}$. Por lo tanto, se puede decir que el coeficiente de dilatación adiabática es la razón entre la entalpía y la energía interna:

${\displaystyle \gamma ={\frac {H}{U}}}$

De la misma forma, las capacidades caloríficas pueden ser expresadas en términos del ratio ( ${\displaystyle \gamma }$ ) y la constante de gas ( ${\displaystyle R}$ ):

${\displaystyle C_{P}={\frac {\gamma nR}{\gamma -1}}\qquad {\mbox{and}}\qquad C_{V}={\frac {nR}{\gamma -1}}}$,

donde ${\displaystyle n}$ es la cantidad de sustancia en moles.

Es difícil encontrar tabulada información sobre ${\displaystyle C_{V}}$, y es frecuente encontrar, sin embargo, más fácilmente información tabular sobre ${\displaystyle C_{P}}$. La siguiente relación se puede emplear para determinar ${\displaystyle C_{V}}$:

${\displaystyle C_{V}=C_{P}-nR}$

Relación con los grados de libertad[editar]

La razón de capacidades caloríficas ( ${\displaystyle \gamma }$ ) para un gas ideal puede estar relacionado con los grados de libertad ( ${\displaystyle f}$) de una molécula por lo siguiente:

${\displaystyle \gamma ={\frac {f+2}{f}}}$

Se puede observar que en el caso de un gas monoatómico, con tres grados de libertad:

${\displaystyle \gamma \ ={\frac {5}{3}}=1.67}$,

mientras que en un gas diatómico, con cinco grados de libertad (a temperatura ambiente):

${\displaystyle \gamma ={\frac {7}{5}}=1.4}$.

Por ejemplo: la atmósfera terrestre está compuesta principalmente de gases diatómicos (~78 % nitrógeno (N₂) y [~21 % oxígeno (O₂)) y a condición estándar puede considerarse como un gas ideal. Una molécula de un gas diatómico posee cinco grados de libertad (tres translacionales y dos rotacionales, el grado de libertad vibracional no se tiene en cuenta si no es a grandes temperaturas). con todo ello resulta un valor de

${\displaystyle \gamma ={\frac {5+2}{5}}={\frac {7}{5}}=1.4}$.

Esto es consistente con las medidas del índice adiabático de aproximadamente de 1.403 (se puede ver en la tabla susodicha).

condiciones normalizadas de presión y temperatura, normalmente denominadas condiciones normaleso condiciones estándares, son un conjunto de condiciones normalizadas de presión atmosférica y temperaturapara las mediciones experimentales en laboratorio que se establecen para permitir comparaciones entre diferentes conjuntos de datos medidos.

Según el Diccionario de la lengua española, estándar es una condición «que sirve como tipo, modelo, norma, patrón o referencia»,¹​ mientras que normal es una condición «que sirve de norma o regla».²​ Ambos términos son por tanto sinónimos y se refieren a condiciones normalizadas.

Se suele hablar indistintamente de «condiciones estándares» y de «condiciones normales» para referirse a esas condiciones, pero no suele haber un acuerdo sobre los valores establecidos como normales o estándares. Esto es debido a que cada organismo establece su propia denominación y condiciones normalizadas. Así, tan estándar o normal puede ser la temperatura de 0 °C como la de 20 °C. Por ejemplo, tanto la RAE como el NISThablan de «condiciones normales», pero cada uno de ellos establece un valor distinto como normal para la temperatura. La IUPAC sin embargo suele hablar de «condiciones estándares» para referirse a las condiciones de medición normalizadas, aunque igualmente se trata de unas condiciones propias establecidas como norma.

Las condiciones normalizadas más utilizadas son las de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada(IUPAC por sus siglas en inglés) y las del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST por sus siglas en inglés), aunque estas no son universalmente aceptadas. Otras organizaciones han establecido una variedad de definiciones alternativas para sus condiciones estándares de referencia. Así, el Diccionario de la lengua españoladefine las «condiciones normales» de la siguiente manera:³​

«Circunstancias estándares, establecidas por convenio, que se toman como referencia para definir el estado físico de un cuerpo y que corresponden a cero grados Celsius y una atmósfera de presión.»

En química, la IUPAC en su Libro de Oro ha establecido dos estándares, que actualmente son idénticos:

• Temperatura y Presión Estándar (TPE, o STP por sus siglas en inglés): Temperatura de 273.15 K (0 °C) y presión de 10⁵ pascales (1 bar o 0.986 923 27 atm); normalmente empleadas en informes de volúmenes de gases. Téngase en cuenta que los medidores de flujo calibrados con volúmenes de gases estándar por unidad de tiempo a menudo indican volúmenes a 25 °C, no a 0 °C.⁴​
• Condiciones estándar para gases: Temperatura de 273,15 K (0 °C) y presión de 10⁵ pascales (1 bar o 0.986 923 27 atm). Anteriormente la IUPAC recomendaba para los gases una presión estándar de 1 atm(equivalente a 1.01325 × 10⁵ Pa), pero actualmente recomienda que el uso de 1 atm como valor de la presión debe interrumpirse.⁵​

En termodinámica, el NIST establece las siguientes condiciones:

• Temperatura y Presión Normales (TPN, o NTP por sus siglas en inglés): Una temperatura de 20 °C y una presión absoluta de 1 atm.

La norma ISO 13443 para el gas natural establece las siguientes condiciones:

• Condiciones de referencia normalizadas: Temperatura de 15 °C y presión de 1 atm.

En la industria y el comercio, las condiciones normalizadas de temperatura y presión son a menudo necesarias para definir las condiciones de referencia estándar para expresar los volúmenes de gases y líquidos y cantidades relacionadas, tales como la tasa de flujo volumétrico (los volúmenes de gases varían significativamente con la temperatura y la presión). Sin embargo, muchas publicaciones técnicas (libros, revistas, anuncios de equipos y maquinaria) se limitan a afirmar "condiciones normales" sin especificarlas, lo que a menudo conduce a confusión y errores. La buena práctica siempre incorpora las condiciones de referencia de temperatura y presión .

Condiciones normalizadas[editar]

Actualmente existen muchas definiciones diferentes de condiciones de referencia estándar utilizadas por organizaciones de todo el mundo. La siguiente tabla muestra algunas de ellas, pero hay más. Algunas de estas organizaciones utilizaban otras normas en el pasado. Por ejemplo, la IUPAC hasta 1982 definía las condiciones de referencia estándar como de 0 °C y 101 325 Pa (1 atm).

Condiciones de referencia estándar actualmente en uso

Temperatura(°C)	Temperatura(K)	Presión(Pa)	Presión(atm)	Uso	Publicación o entidad de referencia
0 °C	273.15 K	100 000 Pa	0.986 923 atm	Química	IUPAC (STP)4​
0 °C	273.15 K	101 325 Pa	1 atm	General	RAE3​
15 °C	288.15 K	101 325 Pa	1 atm	Gas natural	ISO 13443,6​ ISA,7​ AEMA8​
20 °C	293.15 K	101 325 Pa	1 atm	Termodinámica	NIST9​
25 °C	298.15 K	101 325 Pa	1 atm	Medio ambiente	EPA10​
20 °C	293.15 K	100 000 Pa	0.986 923 atm	Gases	CAGI11​
15 °C	288.15 K	100 000 Pa	0.986 923 atm	Petróleo	SPE12​

Atmósfera Estándar Internacional[editar]

En aeronáutica y dinámica de fluidos la "Atmósfera Estándar Internacional" (ISA por sus siglas en inglés) es una especificación de presión, temperatura, densidad y velocidad del sonido según la altitud. La Atmósfera Estándar Internacional es representativa de las condiciones atmosféricas en latitudes medias.