Una máquina frigorífica es un motor térmico funcionando a la inversa; en el motor térmico, el fluido termodinámico obtiene calor del foco caliente, realiza trabajo mecánico y cede calor al foco frío. En la máquina frigorífica, el fluido toma calor del foco frío y lo cede al foco caliente. Como puedes observar, la transferencia de energía térmica se realiza en el sentido contrario al que se produce de forma espontánea en la naturaleza y, según el segundo principio de la Termodinámica, esto sólo puede realizarse consumiendo trabajo. Por tanto, el diagrama energético funcional de una máquina frigorífica es el que muestra la figura.

Donde Q_f, representa la energía térmica absorbida por el fluido desde el foco frío que se encuentra a una temperatura T_f. Q_c representa el calor cedido por el fluido al foco caliente, cuya temperatura es T_c y W es el trabajo que se debe aportar al fluido para conseguir que la transferencia térmica se realice desde el foco frío hacia el foco caliente. En las máquinas frigoríficas, el fluido empleado realiza un ciclo termodinámico, por lo que en el diagrama anterior, y según el primer principio de la termodinámica, se cumplirá:

 Q_f + W = Q_c

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Máquina frigorífica ideal

Una máquina frigorífica ideal sería aquélla en la cual el fluido termodinámico realizaría el Ciclo de Carnot en sentido inverso, es decir, en sentido anti horario, como se muestra en la figura

Según este ciclo, el fluido realiza dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas:

Transformación 1-2: compresión adiabática: se produce una disminución de volumen a expensas de un consumo de trabajo exterior provocando un aumento de temperatura desde la temperatura inferior Tf, a la temperatura superior Tc. Esta transformación se realiza sin intercambio de calor con el exterior, adiabáticamente.

Transformación 2-3: compresión isoterma: el fluido cede calor al foco caliente a temperatura constante, lo que equivale a un trabajo negativo con disminución de volumen.

Transformación 3-4: expansión adiabática: el fluido disminuye su temperatura desde Tc hasta Tf, sin intercambio de calor con el exterior, por lo que realiza un cierto trabajo con aumento de volumen. Idealmente este trabajo se podría utilizar para realizar la transformación 1-2, en la que se necesita consumir trabajo.

Transformación 4-1: expansión isotérmica: se completa el ciclo con una transformación a temperatura constante y con aumento de volumen. Esto requiere la realización de un trabajo positivo a partir del calor absorbido del exterior, el foco frío.

El rendimiento ideal obtenido en este ciclo sería el máximo posible. Este rendimiento se calcula como el cociente entre aquello que obtenemos, según el objetivo para el que se utiliza la máquina, y lo que nos cuesta conseguirlo. Este rendimiento resulta ser mayor quela unidad, por lo que contradice la propia definición de rendimiento. Es por esta razón que para indicar el rendimiento de las máquinas frigoríficas se utiliza la expresión eficiencia (ε), o más técnicamente, coeficiente de operación, COP (del inglés Coeficient Of Performance).

Para el supuesto de una máquina frigorífica cuyo objetivo es extraer calor del foco frío, la eficiencia ideal es: 

De donde se deduce que para aumentarla eficiencia de una máquina frigorífica interesa disponer de una elevada temperatura fría y que la diferencia térmica entre los dos focos (salto térmico) sea lo menor posible. Esto quiere decir que la eficiencia disminuye cuando deseamos obtener temperaturas muy bajas o cuando hacemos trabajar la máquina en ambientes muy cálidos.

También resulta palpable en nuestro frigorífico que, cuando se requieren temperaturas más bajas, aumenta el tiempo de funcionamiento del motor y, por tanto, el consumo.

Si, por el contrario, lo que buscamos con esta máquina es un aporte de calor para calentar un recinto, es decir, si se trata de una bomba de calor, la eficiencia será:

En este caso, la eficiencia aumenta cuando la temperatura que se desea alcanzar en el foco caliente es alta y cuando el salto térmico es pequeño.

A partir de las expresiones anteriores podemos relacionar fácilmente las eficiencias de la máquina trabajando como máquina frigorífica y como bomba de calor.

Recordando el primer principio de la Termodinámica aplicado a la máquina frigorífica:

Si dividimos por W ambos lados de la igualdad:

Una máquina frigorífica real utiliza un fluido para realizar un ciclo termodinámico que se basa en la evaporación y licuefacción de este fluido. El fluido que se utiliza se denomina genéricamente refrigerante.

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Conceptos básicos

• Calor sensible. Es el calor que se aplica a una sustancia para que aumente de temperatura.
• Calor latente. Es el calor que se le aplica a una sustancia para que cambie de estado. Según sea el cambio de estado se denominará calor latente de vaporización (de líquido a vapor) o de licuefacción (de vapora líquido).

El calor latente tiene un valor muy superior al calor específico, por lo que podemos establecer que resulta más rentable absorber calor desde el entorno mediante el cambio de estado de un fluido que con el simple calentamiento del mismo. Veamos un ejemplo: si se desea mantener un determinado recinto a -20⁰C, haciendo circular a través de una tubería un fluido refrigerante a -30⁰C, se tendrá que hacer circular por dicha tubería un gran caudal de fluido para conseguir nuestro objetivo. Sin embargo, si en el interior de la tubería se obliga al fluido a pasar de líquido a vapor, el calor que absorbe será mucho mayor y, por tanto, el caudal necesario será mucho menor.

• Temperatura de saturación. Es aquella temperatura a la que una determinada sustancia realiza el paso de líquido a vapor, o viceversa.
• Presión de saturación. Es aquella presión a la que una determinada sustancia realiza el paso de líquido a vapor o viceversa.

La temperatura y la presión de saturación están íntimamente relacionadas, de tal forma que el valor de una depende del valor de la otra. Es decir, en el cambio de estado, mientras coexisten las fases líquido y vapor, con saber el valor de la temperatura existente queda perfectamente definida la presión o, al contrario, si se sabe la presión, automáticamente queda determinada la temperatura.

• Todo vapor puede ser licuado. Esta afirmación es una consecuencia de lo anteriormente expuesto; aunque estemos habituados a ver algunas sustancias en estado gaseoso, si se llevan a las condiciones necesarias, podrán pasar a estado líquido. Esto ocurre con el butano que, en el interior de las botellas está líquido, o con el gas natural, que se licua para transportarlo mediante los barcos denominados metaneros.

Estos conceptos vistos hasta ahora permiten intuir cómo funciona una máquina frigorífica:

Se dispone de un fluido refrigerante en un circuito cerrado que, en el lugar adecuado, disminuyendo la presión, pasará de líquido a vapor absorbiendo calor del medio exterior  y, por tanto, refrigerando el medio que lo rodea.

Este fluido, ahora vapor, se comprime para aumentar su presión, obligándole, en otro punto del circuito, a pasar de vapor a líquido, cediendo calor al exterior.

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Componentes de una instalación frigorífica

Compresor. Toma el fluido refrigerante en estado vapor y a baja presión y eleva su presión hasta un valor que su temperatura de saturación sea superior a la temperatura ambiente que existe en el exterior de la máquina, de forma que sea posible el cambio de estado del fluido de vapor a líquido con cesión de calor. El compresor funciona accionado por un motor térmico o eléctrico.

Condensador. Se trata de un conducto en forma de serpentín para conseguir una gran superficie de contacto que facilite el rápido intercambio de calor entre el fluido del interior y el medio exterior. Este conducto se va llenando del vapor que proviene del compresor y va aumentando su presión hasta alcanzar la presión de vapor, momento en que se licua, cediendo calor al exterior. En un frigorífico convencionales la rejilla situada en la parte trasera del frigorífico (Qc).

Válvula de expansión. Es el dispositivo que se utiliza para regular la entrada en el evaporador del fluido refrigerante en estado líquido procedente del condensador. Mediante esta válvula se consigue que el evaporador se alimente de una forma continua. Así, se dispone en el evaporador del refrigerante necesario para conseguir que se mantenga la presión de vapor que se necesita, según la temperatura deseada, para que se produzca el paso de líquido a vapor con la correspondiente absorción de calor.

Evaporador. Es un intercambiador de calor similar al condensador. En este caso, el evaporador va recibiendo fluido en estado líquido a baja presión, procedente de la válvula de expansión. Las propiedades termodinámicas del fluido refrigerante permiten que, para la presión existente en el evaporador, la temperatura de vapor a la que se produce el cambio de líquido a vapor sea inferior a la temperatura del local que se desea refrigerar. De esta forma, el fluido toma el calor que necesita para el cambio de estado del medio exterior y lo refrigera. En un frigorífico convencional es el conducto en forma de serpentín situado en la parte interior de la pared trasera (Qf).

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Funcionamiento de la máquina frigorífica

El siguiente diagrama de bloques muestra los elementos que componen la máquina, la circulación del fluido refrigerante y las transformaciones que sufre a su paso por los distintos bloques:

Proceso 1-2: el compresor toma el refrigerante en estado de vapora baja presión (P_f) y baja temperatura (T_f) y lo comprime, pasando a alta presión (P_c) y alta temperatura (T_c). En este proceso se consume un trabajo W (suministrado por el motor térmico o eléctrico).

Proceso 2-3: el fluido en las condiciones anteriores entra en el condensador, donde cambia de estado, cediendo un calor Q_c al exterior.

Proceso 3-4: a través de la válvula se permite la expansión del fluido, por lo que disminuye su presión y temperatura.

Proceso 4-1: el líquido refrigerante entra en el evaporador, donde cambia de estado líquido a vapor, consumiendo un calor Q_f que toma del interior de la cámara frigorífica, refrigerándola.

El proceso descrito en el apartado anterior corresponde con el ciclo termodinámico teórico que se muestra en la figura:

Las transformaciones termodinámicas realizadas por el fluido son:

Transformación 1-2: compresión adiabática.

Transformación 2-3: condensación:

Transformación 3-4: expansión adiabática

Transformación 4-1: evaporación

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Eficiencia teórica de la máquina real

Según el ciclo termodinámico expuesto, la eficiencia de la máquina frigorífica se puede obtener como el cociente entre el calor que se absorbe desde el foco frío (el fin que se persigue con la máquina, Q_f) y lo que nos cuesta conseguir este objetivo; el trabajo que se debe suministrar a la máquina (W):

Y, considerando según el diagrama genérico, que:

Podemos escribir

De esta expresión resulta normalmente un valor superior a la unidad, que suele estar comprendido entre 2 y 5.

De todas formas, como se ha indicado, éste es el funcionamiento de la máquina según el ciclo teórico. El ciclo real no será el descrito por los siguientes motivos:

• El fluido que se supone en unas partes del circuito, como todo vapor, y en otras como todo líquido, en realidad se trata de una mezcla liquido-vapor con distintas proporciones en cada punto del circuito. Por tanto, los cambios de estado no afectan a la totalidad de la masa del fluido refrigerante, y la eficiencia disminuye.
• La compresión y la expansión que se consideran adiabáticas en realidad se realizan con intercambios de calor con el exterior, lo que supone pérdidas energéticas.
• Los intercambios de calor en el condensador y en el evaporador se supone que se realizan de forma ideal, es decir, considerando una superficie de contacto tan grande como se precise (idealmente infinita), y una circulación de fluido exterior tan grande como sea necesaria. Esta situación no es viable en la práctica, por lo que el intercambio de calor no es perfecto, quedando parte del fluido sin cambiar de estado o intercambiando el calor con otra fuente para realizar el cambio de estado. Para solventar en parte este problema se fuerza la circulación de aire exterior mediante ventiladores.

Se denomina bomba de calor a una máquina frigorífica cuyo objetivo no consiste en enfriar un determinado recinto sino en calentarlo. Es decir, una bomba de calor consiste en la misma máquina que hasta ahora hemos estudiado, con la denominación de máquina frigorífica, con la única diferencia de que antes nos interesaba el calor intercambiado en el evaporador Q_f y ahora nos interesa el calor expulsado en el condensador Q_c.

Por tanto, los elementos que conforman la máquina y el funcionamiento son los descritos en los apartados anteriores.

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Eficiencia teórica de una bomba de calor

En cuanto a la eficiencia de la bomba de calor, será el cociente entre lo que se desea conseguir, Qc, y lo que se debe aportar para conseguirlo, W:

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Bomba de calor reversible

Hemos visto que los elementos y el funcionamiento de la bomba de calor son los mismos que los de la máquina frigorífica. Por tanto, según se mire, una máquina determinada puede emplearse para refrigerar un recinto o bien para calentar otro. Esto es lo que hace el frigorífico: enfría su interior y calienta el exterior. Y es lo que hace un aparato de aire acondicionado: enfría el interior de la vivienda y calienta el aire de la calle.

La bomba de calor reversible consiste en una máquina que según se desee funciona como máquina frigorífica o como bomba de calor. Es decir, cuando se desee, el fluido se condensa en el intercambiador situado en el exterior de la casa, cediendo calor al exterior y se evapora en el intercambiador del interior de la vivienda extrayendo calor y refrigerando el local. En caso contrario, el fluido se evapora en el intercambiador situado en el exterior de la vivienda, absorbiendo calor del aire de la calle, y se condensa en el intercambiador situado en el interior de la casa, cediendo calor y calentando la sala.

                                     Para poder disponer de este doble funcionamiento en una misma máquina (y sin tener que cambiarla de posición), es necesario disponer de un único camino para el fluido, pero con la posibilidad de hacerlo circular en un sentido o, en el contrario, de forma que se pueda lograr un funcionamiento, o el contrario.

El dispositivo que permite esta inversión de giro es una válvula de cuatro vías, dos de entrada y dos de salida, y dos posiciones. Las figuras siguientes muestran una bomba de calor reversible en sus dos modos de funcionamiento. En estas figuras suponemos que el intercambiador de la izquierda está en el exterior de la vivienda, mientras que el de la derecha se encuentra en el interior.

Utilizan como principio de funcionamiento el ciclo inverso de Carnot: aportando un trabajo a un sistema podemos absorber cierta cantidad de calor de un foco frío y cederlo a uno caliente.

- Máquina frigorífica: su objetivo es extraer la máxima cantidad de calor de un foco frío (el interior del frigorífico)

- Bomba de calor: su objetivo es aportar la mayor cantidad posible de calor a un recinto.

Elementos:

Compresor: aporta el trabajo necesario al sistema (W)

Evaporador: encargado de absorber calor del foco frío (Qf)

Condensador: encargado de ceder calor al foco caliente (Qc)

Sistema de expansión: encargado de expandir el fluido antes de su evaporación.

Funcionamiento: el sistema está formado por un sistema de conducción de un fluido que se evapora (absorbe calor del foco frío) y se condensa (cede calor al foco caliente), realizando para ello un trabajo de compresión.

La diferencia entre la bomba de calor y la máquina frigorífica radica en el lugar en que se encuentra situado el serpentín que hace de condensador y de evaporador.

BOMBA DE CALOR REVERSIBLE (CLIMATIZADOR)

Los sistemas de climatización que nos aportan calor en invierno y frío en verano (como por ejemplo en un coche), serían un ejemplo de una bomba de calor reversible, el mismo serpentín actúa según el caso como condensador o evaporador. El trabajo de compresión nos permite condensar el fluido a elevadas temperaturas y gracias a la expansión y la utilización de fluidos refrigerantes podemos evaporar el mismo fluido a bajas temperaturas. Una válvula nos permite invertir el movimiento del fluido.

1. Todos los hipotéticos ciclos de refrigeración siguientes operan entre las temperaturas T1 = 300 K y T2 = 250 K. ¿Cuál de ellos funciona reversiblemente?¿Existe alguno que sea imposible? Razona las las respuestas.

Q₂ = 1.000 kJ; W = 400 kJ. (Sol.: Posible)

Q₂ = 2.000 kJ; W = 2.200 kJ. (Sol.: Posible)

Q₁ = 3.000 kJ; W = 600 kJ. (Sol.: Posible)

W = 400 kJ: ε = 6. (Sol.: Imposible)

2. Un fluido frigorífico a baja temperatura circula a través de los conductos insertados en las paredes del compartimiento de un congelador. La temperatura del congelador es de -5 ºC y la del aire que rodea a la instalación es de 22 ºC. El flujo de calor desde el congelador al refrigerante es de 4.000 kJ/h invirtiéndose una potencia de 1.600 kj/h para accionar el ciclo frigorífico. Determinar la eficiencia del frigorífico y compararla con la de un ciclo reversible que operara entre las mismas temperaturas. (Sol.: ε = 2,5).

3. Mediante un circuito frigorífico se mantiene la temperatura de un congelador en -3ºC, absorbiendo energía térmica de los alimentos situados en su interior a un ritmo de 1.000kJ/h. El ciclo descarga energía al entorno, cuya temperatura es de 23 ºC. ¿Cuál es, expresada en vatios, la mínima potencia teórica necesaria para accionar el frigorífico? (Sol.: 26,74 w).

4. Una vivienda precisa 4·10⁵ kJ por día para mantener la temperatura de 20ºC, cuando la exterior ambiental es de 10ºC. Hallar el trabajo mínimo teórico por día que es necesario realizar, si para suministrar esa energía se emplea una bomba de calor. (Sol.: 13.651,87 kJ).

5.  Calcula

1. ¿Cuál es la eficiencia de una máquina frigorífica de Carnot que extrae calor de un foco frío que se encuentra a -10ºC y cede calor a otro foco que está 30ºC?
2. ¿Cuántos Kwh de energía habría que suministrar a la máquina para extraer del foco de temperatura baja una cantidad de calor igual a la necesaria para fundir 200 kg de hielo? El calor latente de fusión del hielo es de 80 cal/g.
3. ¿Cuál será el coste de esta energía, a 1,2 € el kwh? (Sol.: 6,575; 2,825 kwh; 3,39 €).

6. Un fluido refrigerante a baja temperatura circula a través de los conductos insertados en las paredes de un congelador, absorbiendo 3.500 kJ/h. La potencia necesaria para accionar el ciclo calorífico es de 1.500 kJ/h. La temperatura del congelador es de -10ºC y la del aire que rodea a la instalación es de 27ºC. Determinar la eficiencia del frigorífico. ¿Cuál sería la eficiencia si funcionase de forma reversible siguiendo un ciclo de Carnot? (Sol.: 2,33; 7,108).

7. Una bomba de calor funciona de manera reversible entre dos focos a temperaturas de 7ºC y 27ºC, y al ciclo se aportan 2 kwh de energía. Calcular:

1. Cantidad de calor comunicada al foco caliente. (Sol.: 25.837,32 Kcal)
2. Cantidad de calor absorbida del foco frío. (Sol.: 1.008·105 J)
3. “Rendimiento” de la bomba, según que funcione como máquina frigorífica o calorífica. (Sol.: 14).

8. Un automóvil circula a la velocidad de 80 km/h, y se desea que en su interior se mantenga a la temperatura de 20ºC, siendo la del ambiente exterior de 32ºC. Para ello, la instalación de aire acondicionado del coche debe absorber 15.000 kJ/h por transferencia de calor. ¿Qué potencia adicional deberá desarrollar el motor para mantener el acondicionador de aire? Se supone un funcionamiento reversible de la instalación. (Sol.: 170,70 w).

9. Una máquina frigorífica absorbe 1.000 J del foco frío que se encuentra a 200 K. ¿Qué cantidad de calor cede al foco caliente que está a 300 K, sabiendo que su eficiencia es la mitad de la del correspondiente ciclo frigorífico de Carnot? (Sol.: 2.000 J)

10. Una bomba de calor de uso doméstico, accionada eléctricamente, debe suministrar 1,5·10⁶ kJ diarios a una vivienda para mantener su temperatura a 20ºC. Si la temperatura exterior es de -5ºC y el precio de la energía eléctrica es de 1,2 €/kwh, determinar el coste mínimo diario de calefacción. Comparar el resultado obtenido con el de un sistema de calefacción eléctrica por medio de resistencias. (Sol.: 12.000 €)

11. Calcular el rendimiento máximo de una máquina de licuar aire, cuya fuente fría está a -195ºC y el medioambiente a 25ºC. Expresar el resultado en frigorías/kwh. Nota: 860 frigorías = 1 kwh. (Sol.: 0,3545)

 12. Una máquina frigorífica trabaja entre un foco frío a -5ºC y un foco caliente a 30ºC. Determina:

1. Eficiencia ideal de la máquina (Sol.:7,657)
2. Para conseguir una eficiencia igual a 9, ¿qué temperatura debe tener el foco caliente? (Sol.: 24,77 ºC)
3. Si se ajusta el circuito para conseguir una temperatura de -10ºC, ¿cuál será la nueva eficiencia? (Sol.: 6,575)

13. Una máquina funciona según el ciclo reversible de Carnot entre dos focos a -3ºC y 27ºC y recibe desde el exterior una energía de 7.200 kJ. Calcula:

1. Eficiencia de la máquina funcionando como máquina frigorífica (Sol.: 9)
2. Eficiencia de la máquina funcionando como bomba de calor. (Sol.: 10)
3. Energía Térmica entregada al foco caliente. (Sol.: 72.000 kJ)
4. Energía térmica absorbida desde el foco frío. (Sol.: 64.800 kJ)

14. Determina el calor que un bloque de hielo de 1 kg de masa a -10ºC debe tomar de su entorno para conseguir 1 kg de vapor de agua a 120ºC, suponiendo que todo el proceso se realiza a la presión atmosférica. Datos: (Sol.: 731,2 kcal)

• Calor específico del hielo: c_h = 0,5 kcal/kg·K
• Calor latente de fusión del hielo: c_lf = 80 kcal/kg
• Calor específico del agua: c_a = 1 kcal/kg·K
• Calor latente de vaporización del agua: c_lv = 537 kcal/kg
• Calor específico del vapor: c_v = 0,46 kcal/kg·K

15. Una nevera funciona según un Ciclo de Carnot, enfriando a una velocidad de 7.000 kJ/hora. La temperatura del interior es de -10ºC. En el exterior hay una temperatura de 28ºC. Se pide:

1. ¿Qué potencia debe tener el motor de la nevera para conseguir esa temperatura? (Sol.: 280,94 w)
2. Si el rendimiento de la nevera fuera del 60% del rendimiento ideal de Carnot, ¿cuál debería ser entonces la potencia del motor? (Sol.: 468,24 w)

16. Un frigorífico trabaja entre -5ºC y 35ºC y tiene un rendimiento del 25% del ciclo ideal. Si la energía absorbida de la fuente fría es de 1.500 J, determina:

1. El rendimiento del frigorífico. (Sol.: 1,675)
2. La energía cedida a la fuente caliente. (Sol.: 2.395,52 J)
3. El trabajo ejercido por el compresor sobre el sistema. (Sol.: 895,52 J)

17. Una máquina frigorífica trabaja entre dos focos de calor que están a -10ºC y 25ºC de temperatura. El rendimiento de la máquina es la cuarta parte del rendimiento del ciclo ideal de funcionamiento. Si la máquina cede a la fuente caliente 2.600 J. Calcula:

1. El rendimiento del frigorífico. (Sol.: 1,87857)
2. Cuánta energía extrae del foco frío. (Sol.: 1.696,77 J)
3. El trabajo ejercido por el compresor sobre el sistema. (Sol.: 903,26 J) 

18. Calcula la eficiencia de una máquina frigorífica de Carnot cuyo foco frío está a -10ºC y el foco caliente a 30ºC, ¿cuántos kwh de energía habrá que suministrar a la máquina para sacar del foco frío una cantidad de calor igual a la necesaria para fundir 200 kg de hielo. Calor latente de fusión del hielo C = 80 cal/g. (Sol.: 6,575; 2,825 kwh)

19. Tenemos una máquina frigorífica cuyo rendimiento es la mitad del ciclo de Carnot, la cual funciona entre dos focos que están a unas temperaturas de 200 K y 350 K. Además sabemos que la máquina absorbe 200 J del foco frío. ¿Cuánto calor cede la máquina a la fuente caliente? (Sol.: 3.018,18 J)

20. En un complejo polideportivo se pretende conseguir un doble objetivo: mantener una pista de hielo a -4ºC y obtener calor a 42 ºC para las duchas, calefacción y piscina climatizada. Para ello, se utiliza una máquina frigorífica que consume el doble de trabajo que consumiría una de Carnot trabajando en las mismas condiciones. Se conecta el foco frío a la pista de hielo, y el caliente a la piscina, duchas y calefacción. Si se extraen 100 kw de la pista de hielo y se entregan 130 kw a la piscina, determinar el calor entregado a las duchas y a la calefacción. (Sol.: 4,246 kw)

21. Queremos mantener tanto en verano como en invierno un recinto a una temperatura constante de 20ºC. Suponiendo que el promedio de temperaturas en verano es de 35ºC y en invierno es de 5ºC, calcula:

1. La cantidad de calor absorbido en verano y cedido en invierno por cada kwh de energía consumida. (Sol.: 16.820,09 kcal)
2. Dibuja un esquema de funcionamiento de la máquina en ambos

 22. Utilizando una bomba de calor se pretende conseguir una temperatura agradable en cualquier época del año, que en invierno será de 20ºC aunque en el exterior sea de 0ºC. En verano la temperatura media será de 24ºC aunque en el exterior sea de 38ºC. Calcula:

1. La eficiencia en cada caso considerando la máquina ideal de Carnot. (Sol.: 14,65; 21,21)
2. Considerando ahora la eficiencia del 60% de la ideal de Carnot, calcula la potencia requerida por el motor del compresor para el caso más desfavorable, si se han de transferir 800 kcal/min desde el foco frío. (Sol.: 7.154,07 w)

23. Se pretende conseguir una temperatura agradable de 22ºC en el interior de un recinto, utilizando para ello una bomba reversible de calor. Teniendo en cuenta que la temperatura media en el exterior del recinto en invierno es de 0ºC y en verano de 44ºC, cuál será la eficiencia ideal de la máquina. Considerando ahora que el rendimiento de la máquina es del 60% de la máquina de Carnot, cuándo consumirá más energía del motor del compresor si la cantidad de calor que se quiere intercambiar con el foco frío, tanto en verano como en invierno, es de 700 kcal/min. (Sol.: 13,40; 13,40; En invierno)

 24. Un motor térmico funciona según un ciclo reversible entre dos focos, absorbiendo 2.150 kcal del foco caliente por cada kwh de trabajo producido. Calcula la temperatura del foco frío cuando la temperatura del foco caliente es de 327ºC. (Sol.: 87 ºC)

 25. Una máquina frigorífica funciona, según el ciclo de Carnot, entre dos fuentes de calor, una a -13ºC y la otra a 27ºC. sabiendo que el compresor es de 200 w, calcula:

1. Eficiencia de la máquina trabajando como frigorífico. (Sol.: 6,5)
2. Eficiencia de la máquina trabajando como bomba de calor. (Sol.: 7,59
3. Suponiendo que funciona como frigorífico con una eficiencia igual a 3:
   1. Calor que recibe el fluido refrigerante en una hora. (Sol.: 2.160.000 J)
   2. Calor que cede el fluido refrigerante en una hora. (Sol.: 2.880.000 J).