Ud. puede no saber, pero la termodinámica está presente en su día a día de trabajo Esa palabra tiene origen en la lengua griega e indica la relación entre la energía térmica (therme) y la fuerza mecánica (dynamis). 

Esa es la rama de la ciencia que estudia los procesos de transferencia de calor, incluyendo aspectos como la variación de la temperatura, la presión y el volumen.

El ciclo de refrigeración está totalmente basado en la termodinámica: está relacionado a la remoción del calor de un cuerpo (objeto o sustancia), transfiriéndolo para otro, como se puede ver en la ilustración de la página 18. 

En ese proceso, el calor siempre fluye del cuerpo con temperatura más alta para el que presenta temperatura más baja. 

En tales intercambios térmicos, la transferencia de calor puede ocu­rrir por medio de tres diferentes procesos, que la refrigeración utiliza o que tienen impacto en su eficiencia:

• Convección;

• Conducción;

• Irradiación.

La convección es el proceso más directamente presente en los equipos de refrigeración con los cuales Ud. trabaja. 

Ocurre principalmente en los fluidos (líquidos y gases). Es consecuencia de la circulación de un fluido, que puede ocurrir de forma natural, por la diferencia de temperatura en partes de ese fluido, o forzada, por medio de un ventilador. Los intercambios de calor que tienen lugar en el evaporador y condensador son ejemplos de convección.

Ya la conducción ocurre entre dos cuerpos de diferentes temperaturas, o en un mismo cuerpo, siempre del punto más caliente para el más frío. Está relacionada a la conductividad térmica de cada material. 

En relación a ese proceso, es importante recordar que lo que define un aislante térmico es su baja conductividad térmica, que es fundamental para un sistema de refrigeración eficiente. Es el caso, por ejemplo, del poliuretano, usado para aislar los gabinetes, manteniendo la temperatura interna del refrigerador más baja que la del ambiente externo.

La irradiación no se utiliza en la refrigeración, pero tiene influencia sobre el desempeño de los equipos. Ocurre a través de ondas electromagnéticas, especialmente las radiaciones infrarrojas, aunque no haya contacto directo entre los cuerpos o las sustancias. Un ejemplo es el calentamiento de la Tierra por el sol, en que tal contacto no existe, pero hay transferencia de calor. Otras fuentes de calor – como máquinas o el fuego – provocan el mismo efecto. 

Sobre la irradiación, se debe recordar la importancia de mantener los equipos de refrigeración alejados de todo tipo de fuente de calor, para que su rendimiento no se vea comprometido por el calentamiento.

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Conozca las leyes de la termodinámica

Los conceptos de la termodinámica comenzaran a desarrollarse en el siglo 17, con las primeras experiencias científicas sobre presión, temperatura y volumen. Los estudios avanzaron a lo largo del tiempo hasta que en 1824 el científico francés Sadi Carnot publicase un texto que fue el fundamento de la termodinámica moderna.  

Después de Carnot, se desarrollaron las definiciones usadas hasta el momento para los principios de esa ciencia, que se conocen como las Leyes de la Termodinámica. 

Ley cero de la Termodinámica: Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, estos están a su vez en equilibrio térmico entre sí. 

Esa ley fue la que permitió la definición de escalas de temperatura, como las que se expresan en grados Celsius, Fahrenheit o Kelvin.

Primera Ley de la Termodinámica: El calor recibido por un sistema es igual a la suma entre la variación de la energía interna del sistema y el trabajo efectuado por el sistema.

Esa ley es la que tiene más relación con los refrigeradores modernos, pues define que es posible aumentar la temperatura de un sistema tanto por la adición  de calor (energía térmica) como efectuando trabajo sobre él.

Segunda Ley de la Termodinámica: existen tres maneras de expresar esa ley, que fueron desarrolladas por científicos que percibieron la necesidad de poner en relieve determinados aspectos:

• Es imposible remover energía térmica de un sistema a una temperatura y convertir esa energía integralmente en trabajo mecánico sin que ocurra una modificación en el sistema o en sus cercanías. (Enunciado de Kelvin)

• No existe ningún proceso en que el único efecto de energía térmica sea la transferencia de energía de un cuerpo frío para otro caliente. (Enunciado de Clausius)

• Es imposible que una máquina térmica, operando en ciclos, tenga como único efecto la extracción de calor de una fuente y la ejecución de trabajo integral de esa cantidad de energía. (Enunciado de Kelvin-Planck).

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El ciclo de refrigeración y la termodinámica

Es importante saber que los refrigeradores convencionales operan teniendo en cuenta el ciclo de compresión mecánica de vapor.  Pero ¿qué significa eso? 

Primero, es necesario recordar que ese ciclo tiene como fundamento el proceso de cambio del estado físico del fluido refrigerante (de líquido para gaseoso y viceversa). Esas sustancias se condensan (se vuelven líquidas) a altas presiones y evaporan (se convierten en gases) a bajas presiones.  

La generación del frío en los sistemas de refrigeración ocurre exactamente por el cambio de estado de ese fluido refrigerante de líquido para gaseoso. 

Ese proceso depende del trabajo del compresor – que utiliza energía mecánica para comprimir el fluido refrigerante que viene del evaporador en la fase gaseosa.

Con esa compresión, aumentan la presión y temperatura del fluido refrigerante. Cuando entra en el condensador, el fluido refrigerante transfiere calor al medio ambiente, lo que hace con que su temperatura disminuya y ocurra la condensación, que es el proceso de cambio de fase de gaseoso para líquido. 

A continuación, el fluido refrigerante pasa por el elemento de control – tubo capilar o válvula de expansión –, que, por medio de un estrechamiento o restricción, vuelve más lento su pasaje para el evaporador, provocando la disminución de su presión. 

El fluido refrigerante llega líquido y en baja presión al evaporador, a lo largo del cual cambia de fase nuevamente, de líquido para gaseoso. Al cambiar de fase, absorbe el calor presente en los alimentos que están en el gabinete del refrigerador y retorna al compresor, reiniciándose el ciclo de refrigeración.