El refrigerador

¿Para qué sirve esto?

Pon la mano, con cuidado, cerca de la rejilla negra que tiene atrás la nevera de tu casa (o en sus costados, si tu nevera no tiene rejilla a la vista: en muchas neveras nuevas los tubos van escondidos en las paredes): está tibia, a veces caliente. ¿No es raro que una máquina hecha para enfriar bote calor? En realidad no tiene nada de raro, y la explicación está en las dos leyes de la termodinámica.

Con la nevera se conservan los alimentos, con aparatos parecidos se enfrían los cuartos y se guardan las vacunas en los centros de salud. En esta lección vas a entender qué hace de verdad una nevera por dentro, por qué necesita estar enchufada y a dónde va el calor que saca de los alimentos.

Antes de empezar necesitas la primera ley, ΔU = Q − W, la segunda ley (el calor no pasa por sí solo de un cuerpo frío a uno caliente) y recordar que al comprimir un gas su temperatura sube.

Un refrigerador no produce frío

Decimos que la nevera «hace frío», pero en física el frío no es una cosa que se fabrique ni que se mueva. Un cuerpo está frío cuando sus partículas se agitan poco. Para enfriar algo hay que sacarle energía, y eso es justo lo que hace un refrigerador: saca calor del interior, donde están los alimentos, y lo bota afuera, al aire de la cocina.

Aquí aparece la segunda ley. La cocina está más caliente que el interior de la nevera, y el calor no pasa por sí solo de lo frío a lo caliente. Para llevarlo «cuesta arriba» hay que gastar trabajo. Ese trabajo lo hace el compresor, una bomba movida con la energía eléctrica del enchufe. Por eso, si se va la luz, la nevera deja de enfriar: el calor de la cocina empieza a entrar poco a poco y el interior se va calentando.

Las cuentas de la energía

Llamemos $Q_{\text{extraído}}$ al calor que la nevera saca del interior, $W$ al trabajo del compresor y $Q_{\text{botado}}$ al calor que suelta en la cocina, todos como números positivos. El refrigerador funciona en un ciclo, así que vuelve a su estado inicial y su energía interna no cambia. Por la conservación de la energía, todo lo que entra a la máquina tiene que salir:

$$Q_{\text{botado}} = Q_{\text{extraído}} + W$$

Es decir, la nevera bota a la cocina más calor del que saca de los alimentos: bota también la energía del trabajo del compresor. Por eso la parte de atrás se calienta.

Para medir qué tan bien funciona un refrigerador se usa su rendimiento: cuánto calor saca del interior por cada joule de trabajo que gasta.

$$\text{rendimiento} = \frac{Q_{\text{extraído}}}{W}$$

El rendimiento puede ser mayor que 1, y eso no viola ninguna ley. La segunda ley prohíbe convertir todo el calor en trabajo, pero el refrigerador no convierte calor en trabajo: traslada calor de un sitio a otro, y para eso puede bastarle un trabajo menor que el calor que mueve.

El recorrido del refrigerante

Por dentro, la nevera tiene un circuito cerrado de tubos por el que circula siempre la misma sustancia, el líquido refrigerante. Es una sustancia que se evapora a una temperatura muy baja. Da la vuelta pasando por cuatro partes:

1. El evaporador, dentro de la nevera. El refrigerante llega como un líquido muy frío y a baja presión. Para evaporarse necesita energía, y la toma en forma de calor de los alimentos y del aire del interior, que está más caliente que él. Así se enfría la nevera.
2. El compresor, abajo y atrás. Recibe el vapor y lo comprime. Como viste con la bomba de la bicicleta, el trabajo hecho sobre un gas aumenta su energía interna: el vapor sale del compresor más caliente que el aire de la cocina.
3. El condensador, la rejilla de atrás (o los tubos escondidos en los costados). Como ahora el vapor está más caliente que la cocina, el calor pasa por sí solo del vapor al aire, como manda la segunda ley. Al ceder calor, el vapor se condensa y vuelve a ser líquido.
4. La válvula de expansión, un tubo muy delgado. Al pasar por ella, el líquido baja de presión de golpe y se enfría mucho. Vuelve al evaporador y el ciclo empieza otra vez.

El truco del ciclo es cambiar la temperatura del refrigerante para que, dentro, esté más frío que los alimentos, y afuera, más caliente que la cocina. Así, en cada uno de esos dos lugares, el calor pasa por sí solo en la dirección que conviene. El trabajo del compresor es lo que permite ese cambio.

¿Y si dejo la puerta abierta?

Con la puerta abierta, la nevera saca calor del aire de la cocina y lo bota… en la misma cocina. Pero bota más de lo que saca, porque suma el trabajo del compresor. Al final, la cocina se calienta. Una nevera abierta no sirve para refrescar un cuarto.

Las cifras de los ejemplos y de las preguntas son inventadas para practicar las cuentas: no son las de ninguna nevera real.

En resumen

• Un refrigerador no produce frío; saca calor del interior y lo bota afuera, al aire de la cocina.

• Por la segunda ley, el calor no pasa solo de lo frío a lo caliente; por eso el refrigerador necesita el trabajo del compresor.

• Por la conservación de la energía, Q botado = Q extraído + W; la nevera bota más calor del que saca, y por eso la rejilla de atrás se calienta.

• El rendimiento es Q extraído / W y puede ser mayor que 1, porque la nevera traslada calor, no lo convierte en trabajo.

• El refrigerante se evapora dentro tomando calor, se comprime y se calienta, cede calor afuera al condensarse y se enfría en la válvula de expansión.

Vocabulario

Refrigerador

Máquina que saca calor de un lugar frío y lo lleva a uno más caliente, usando trabajo. La nevera de la casa es un refrigerador.

Líquido refrigerante

Sustancia que circula por los tubos cerrados del refrigerador; se evapora dentro, donde absorbe calor, y se condensa afuera, donde lo cede.

Compresor

La bomba, movida con energía eléctrica, que comprime el vapor del refrigerante y hace el trabajo del ciclo.

Evaporador y condensador

Los tubos en los que el refrigerante se evapora (dentro de la nevera) y se condensa (en la rejilla de atrás, o escondido en los costados en muchas neveras nuevas).

Rendimiento de un refrigerador

El calor que saca del interior dividido entre el trabajo que gasta el compresor. Puede ser mayor que 1.