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Un dispositivo aparentemente humilde y común, el aire acondicionado es de hecho el resultado de una ingeniería astuta. Utiliza hábilmente las leyes de la física para mover el calor de un lugar a otro fuera de su casa, por lo general. Pero como veremos pronto, no se puede jugar con las leyes de la física. Es un tema complejo, así que profundicemos y veamos cómo doblamos la física a nuestra voluntad para nuestra comodidad y seguridad al apretar y bombear algunos químicos extraños en algunas tuberías.

Imagen vía Pixabay.

Mantener las cosas frescas no es útil solo en situaciones sociales. De hecho, gran parte de lo que consideramos la forma de vida moderna solo es posible porque hemos aprendido a hacer que las cosas calientes se enfríen. Entre 1998 y 2017, por ejemplo, más de 166.000 personas murieron a causa de las olas de calor, según la OMS. Las condiciones de frío parecen ser las más mortales en general, ya que un estudio informó que entre 2011 y 2018 la hipotermia representó el 27,0 % de todas las lesiones por temperatura, pero el 94,0 % de todas las muertes.

Las temperaturas pueden representar una amenaza a través de algo más que la exposición directa. La refrigeración inadecuada de artículos como alimentos o medicamentos puede hacer que se echen a perder, lo que genera pérdidas financieras o efectos adversos para la salud. Finalmente, gran parte de nuestra tecnología debe mantenerse dentro de ciertos rangos de temperatura para funcionar correctamente, esto incluye su computadora portátil, telescopios espaciales y reactores nucleares.

Para entender cómo hemos logrado controlar el control de la temperatura, primero comencemos con lo básico.

¿Qué es la temperatura?

La temperatura es cómo medimos cuánta energía térmica tiene algo. Está estrechamente relacionado, pero no es lo mismo, con el concepto de calor.

Ahora, si tuvieras un microscopio lo suficientemente poderoso y miraras un objeto que se está calentando, verías sus moléculas o átomos vibrar cada vez más intensamente. Este movimiento, en última instancia, es energía térmica. Al igual que una campana de viento en movimiento produce sonidos más fuertes cuanto más chocan sus partes, las partículas de un objeto generan más energía térmica cuanto más se mueven. Este tipo de actividad de partículas se conoce como movimiento browniano.

Lo que percibimos como calor es una transferencia de esta energía. Los conceptos de frío y calor solo son aplicables en relación con algo, por ejemplo, una taza de té hirviendo es más caliente que un cubo de hielo pero mucho más fría que el sol. Para que puedas percibir un objeto como caliente o frío, debe haber alguna forma de que esa energía se transfiera entre el objeto y tu cuerpo. Si tiene menos energía, extraerá algo de tu cuerpo y tu cerebro te dirá que está frío. Si te da energía, lo percibes como caliente.

Un esquema que muestra la naturaleza caótica de los movimientos brownianos. Imagen vía Wikimedia.

En general, todos los cuerpos intercambian calor con los que los rodean (en un sentido físico, incluso la atmósfera, el planeta o el universo son cuerpos) siempre que estén en contacto térmico. En última instancia, esto conduce a que el calor se distribuya más o menos por igual en un sistema, por lo que tenemos la expresión idiomática de que algo está a temperatura ambiente. Es todo en la habitación, desde la mesa hasta el aire mismo, compartiendo la misma energía térmica para que todos se sientan a la misma temperatura para nosotros.

A grandes rasgos, medimos la energía térmica utilizando dos unidades de medida: la unidad térmica británica (Btu o B. Th. U.), o la unidad térmica francesa (la caloría). Ambos funcionan en gran medida de la misma manera, describiendo cuánta energía se necesita para calentar una determinada cantidad de agua a una determinada temperatura. Sin embargo, difieren en cómo los miden. Un Btu representa la energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua pura en un grado F. La caloría utiliza la construcción más profana en lugar del sistema métrico, y describe cuánta energía se necesita para calentar un kilogramo de agua pura. en un grado C.

Bien, tan rápido resumen. La temperatura es una forma de medir la energía interna de un cuerpo, y esa energía se manifiesta como movimientos a nivel molecular y atómico. Lo que sentimos como frío y calor es un flujo de esta energía de un cuerpo a otro. En general, todos los cuerpos que entran en contacto intentan igualar sus niveles de calor interno.

Haciendo una toma caliente

Dado que la energía térmica tiene una representación física correspondiente en el movimiento de las partículas, es lógico que si puedes hacer que se detengan, puedes enfriar un objeto. El problema fundamental con esto, sin embargo, es que el calor es la forma residual de energía en nuestro universo. Cualquier otro tipo de energía eventualmente se degradará en energía térmica a través del trabajo físico, pero no podemos ejecutar el proceso a la inversa y convertir la energía térmica en otro tipo de energía directamente.

Los movimientos asociados con las energías térmicas son caóticos y transportan niveles extremadamente bajos de energía individualmente, lo que hace imposible recolectarla para realizar trabajo físico (debido a la entropía). Esta es la razón por la que mecanismos como las máquinas de vapor utilizan calor (un flujo de energía térmica) en su lugar.

Ahora, por lo que hemos visto hasta ahora, parece que la forma de enfriar un vaso de agua es enfriar una habitación, y la mejor manera de hacerlo es enfriar el planeta. No hace falta decir que hoy estamos haciendo exactamente lo contrario y aún así obtenemos nuestras bebidas frías. Tenemos dos formas principales de hacer esto: ventilación y refrigeración.

Los viejos pozos de minas son excelentes ejemplos de sistemas de ventilación natural construidos por el hombre creados para suministrar oxígeno fresco, no como controles de temperatura. Créditos de la imagen Jennifer Ditscheit.

La ventilación es el enfoque más simple, y no somos los únicos en hacerlo. En esencia, la ventilación se basa en los desequilibrios de calor entre dos cuerpos físicos para mover masas de un medio (generalmente aire o agua). Debido a que la energía térmica está representada por movimientos moleculares, si una corriente de aire recorre un objeto, su temperatura disminuirá, ya que estas vibraciones se transfieren a las moléculas de aire y se las lleva. La ventilación es la forma en que su computadora se mantiene fresca, y también es parte de cómo funcionan los acondicionadores de aire.

La principal limitación de este proceso es que deja de funcionar cuando el objeto alcanza la misma temperatura que su entorno. En ese punto, la transferencia de calor puede detenerse por completo o cambiar de dirección desde el entorno hacia el propio cuerpo, calentándolo.

Dicho esto, un flujo de aire puede proporcionar un efecto refrescante incluso cuando el medio se calienta bastante. Es por eso que la brisa es relajante incluso en un día de calor abrasador, y por qué los nidos de termitas se mantienen frescos incluso en las condiciones más calurosas.

La refrigeración es técnicamente más desafiante, pero se puede usar para bajar la temperatura de un objeto por debajo de la temperatura ambiente. El calor extraído de este objeto debe descargarse en un área con una temperatura más alta, lo que significa que se debe gastar energía en el proceso (ya que crea un desequilibrio físico). Es este proceso el que permite que su aire acondicionado mantenga cierta temperatura, que su congelador se congele, etc. El secreto detrás de este proceso radica en manipular otro parámetro físico: el volumen.

Apriete para calentar, relájese para enfriar

Créditos de imagen hvactrainingshop.

Primero, debe saber que los sistemas de refrigeración necesitan un medio especial, conocido como fluido o agente refrigerante, para funcionar. Este agente transportará físicamente el calor de una parte del sistema a otra. Los requisitos para un buen refrigerante son un punto de ebullición bajo, una densidad relativamente baja en forma líquida pero alta como gas, y que tenga un alto calor de vaporización (puede absorber mucho calor antes de convertirse en gas) .

La magia que sucede dentro de una unidad de refrigeración depende de cambiar la presión de este fluido a lo largo del sistema de refrigeración. En un extremo del sistema, un componente conocido como compresor exprime con fuerza el agente y reduce su volumen. Este paso hace que se caliente rápidamente (porque contiene la misma cantidad de energía térmica pero en un lugar más pequeño ocurren más colisiones). Aunque se va comprimiendo, el hecho de que se recaliente mantiene este fluido en estado gaseoso. Es importante que el proceso no resulte en que el refrigerante se vuelva líquido, ya que los líquidos no se pueden comprimir y esto dañaría el sistema.

Cuando sale del compresor, el refrigerante es un vapor caliente, a aproximadamente 120 a 140F (48 a 60C).

Luego, se permite que el fluido a alta presión salga del compresor y fluya naturalmente a las áreas del sistema donde la presión es más baja. El siguiente componente al que fluye se llama condensador o serpentín exterior. Aquí se deja enfriar pasando calor al ambiente. Debido a que el agente que ingresa a la bobina está tan caliente, naturalmente transmitirá su energía térmica incluso cuando hace calor afuera. Esta es la razón por la cual la parte posterior de su refrigerador siempre está tan caliente, o por qué las unidades de aire acondicionado expulsan una corriente de aire caliente.

El fluido se mantiene presurizado en este componente, pero todavía está demasiado caliente para volverse líquido. Sin embargo, cuando sale del serpentín, se alimenta a través de una válvula de expansión. Este componente le permite convertirse en un líquido a baja presión a través de un proceso conocido como flashing. Si alguna vez ha utilizado una lata de aire comprimido o un extintor de incendios, sabrá que los fluidos se vuelven significativamente más fríos cuando la presión cae o aumentan de volumen. Este es el paso que realmente enfría el fluido lo suficiente como para ser útil para la refrigeración.

Ahora un líquido, se alimenta a través del evaporador. Esto toma la forma de tuberías dentro de la nevera, por ejemplo. Al estar muy frío en este punto, absorbe calor, esencialmente drenando la energía térmica del entorno circundante y comienza a hervir. En un acondicionador de aire, un ventilador sopla aire sobre las tuberías o el radiador que contiene este líquido para bombear aire frío a la habitación.

El fluido, ahora nuevamente en forma de gas a aproximadamente la temperatura ambiente, se bombea nuevamente al compresor y el ciclo se repite.

transpiración inversa

Cuando sudamos, el agua de nuestra piel se evapora y aumenta de volumen, lo que hace que drene la energía térmica de nuestro cuerpo. Esto nos refresca y hace que nuestro entorno sea más húmedo.

El evaporador funciona a la inversa. El agua se condensa en estas superficies frías, lo que significa que cede su propia energía térmica para convertirse en líquido. Esto calienta el refrigerante y hace que el ambiente sea muy seco. Los sistemas de aire acondicionado también pueden deshumidificar el aire de una habitación o controlar los niveles de humedad.

La refrigeración funciona porque todos los pasos individuales de compresión, condensación y evaporación se ven obligados a ocurrir en diferentes lugares, lo que cambia la energía térmica. Así que cada vez que use su aire acondicionado en casa, sepa que en realidad no está absorbiendo calor, simplemente lo está sacando del interior y arrojándolo al exterior. Por lo tanto, los refrigeradores, congeladores y acondicionadores de aire son un gran ejemplo de la Primera Ley de la Termodinámica, que la energía no se crea ni se destruye.

Pero puede, con un poco de ingeniería complicada, trasladarse a otro lugar para que todos estemos más cómodos y seguros.

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