La termodinámica en los sistemas HVAC


Dec 12, 2023

La termodinámica describe la acción del calor y otros tipos de energía, así como la relación entre ellos. Es un tema que parece un poco desalentador a primera vista. Sin embargo, si entiende la teoría de la termodinámica en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), podrá comprender inmediatamente cómo y por qué funcionan los sistemas, y cuál es la mejor forma de aplicarlos. 

6 fundamentos de la transferencia de calor

Para entender los principios de la termodinámica debemos comprender primero seis conceptos en torno al calor y la transferencia de calor. 

1) Frío significa ausencia de calor. Para que algo esté frío, hay que quitarle calor.

2) Calor y temperatura son cosas distintas:

  • El calor es el flujo de energía de un objeto, sistema o lugar a otro.
  • La temperatura mide la energía cinética interna de un objeto.

3) El calor se desplaza de forma natural de una zona caliente a otra más fría. 

4) El calor se desplaza de tres formas.

  • La conducción es la transferencia de calor de un objeto a otro por contacto directo.
  • La convección es la transferencia de calor de un objeto al entorno, a través de un gas o un líquido, de una temperatura alta a una baja.
  • La radiación es la transferencia de calor a través de la radiación electromagnética.

5) Un cambio de fase se produce cuando algo cambia de un estado a otro, por ejemplo, el hielo (sólido) se funde en agua (líquido) que puede evaporarse en vapor (gas).

6) Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre dos medios, más rápida será la transferencia de calor. 

Las leyes de la termodinámica

La buena noticia es que no es necesario ser licenciado en ciencias para entender cómo funcionan los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Existen cuatro leyes de la termodinámica en total: la ley zeroth, la primera, la segunda y la tercera. La ley zeroth fue la última en descubrirse, pero es la base de las otras tres leyes, de ahí su nombre y orden de precedencia. 

Mientras que la ley zeroth y la primera son fáciles de entender, la segunda y la tercera se refieren a algo llamado entropía, que es la medida del desorden de un sistema. Aunque todo esto suene muy complejo, la entropía es una medida de lo dispersa que está la energía. La energía es útil cuando está concentrada, pero cuando se dispersa y se desparrama, no es útil. Por ejemplo, si quemamos un tronco, la energía concentrada en el tronco se libera al aire circundante. Esa energía sigue ahí (en la atmósfera), pero ya no sirve para nada.
 

La tercera ley de la termodinámica

Qué dice: La ley zeroth establece que si dos sistemas termodinámicos están cada uno en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí.

Qué significa: Si dos objetos están a la misma temperatura, no intercambiarán calor.

Ejemplo: La comida y la bebida de un frigorífico estarán a la misma temperatura que el aire del frigorífico. Todos están en equilibrio térmico y no hay transferencia de calor entre las sustancias.
 

Primera ley de la termodinámica

Qué dice: La primera ley establece que la energía no puede crearse ni destruirse. 

Qué significa: Conocida también como Ley de Conservación de la Energía, explica que la energía sólo puede transferirse o cambiarse de una forma a otra.

Ejemplo: Un horno eléctrico convertirá la electricidad en energía calorífica. 100 unidades de energía eléctrica se convertirán en 100 unidades de energía calorífica para cocinar tus alimentos.
 

Segunda ley de la termodinámica

Qué dice: La segunda ley establece que la entropía de cualquier sistema aislado siempre aumentará con el tiempo. 

Qué significa: La energía siempre se dispersa. El calor siempre se desplazará de una zona más caliente a otra más fría, pero no fluirá espontáneamente de lo frío a lo caliente.

Ejemplo: En el momento en que saques una comida recién hecha del horno, perderá calor. El calor se desplaza de la comida caliente al plato más frío y al aire más frío que lo rodea. 
 

Tercera ley de la termodinámica

Qué dice: A medida que la temperatura se aproxima al cero absoluto*, la entropía de un sistema se aproxima a un mínimo constante.

Lo que significa: Al alcanzar el cero absoluto, no queda energía calorífica. El calor no puede transferirse a otra sustancia y como no hay energía que repartir. Por tanto, la entropía también alcanza un punto cero. 

Ejemplo: Las moléculas del vapor se mueven rápidamente y tiene una entropía elevada. Si el vapor se enfría por debajo de 100oC sufrirá un cambio de fase de gas a agua líquida. El agua tiene un menor movimiento de moléculas en comparación con el vapor y una entropía menor. Si el agua se enfría por debajo de 0oC, experimenta otro cambio de fase de líquido a hielo sólido. El movimiento de las moléculas disminuye aún más, al igual que la entropía. Si este hielo se enfría hasta el cero absoluto, la entropía también será cero.

*0o Kelvin, -273,15oC o -459,67oF.
 

Hemos aprendido que

  1. Los distintos tipos de energía pueden convertirse entre sí.
  2. El calor se desplaza de forma natural de una zona caliente a otra más fría, pero si los objetos están a la misma temperatura, no se transfiere calor.
  3. La cantidad de energía útil que pierde una sustancia depende de la temperatura. 

Utilizando estos principios en el ciclo termodinámico, el movimiento del calor puede controlarse y utilizarse en nuestro beneficio. 

El refrigerante y el ciclo termodinámico

El refrigerante es una sustancia extremadamente útil. Tiene un punto de ebullición bajo y puede manipularse fácilmente para absorber y liberar calor. Cuando se aumenta la presión sobre el refrigerante, su temperatura y su actividad cinética interna también aumentan. Cuando se reduce la presión del refrigerante, su temperatura y su energía cinética interna disminuyen.

En los sistemas HVAC, el refrigerante circula a través de componentes que no sólo cambian su presión y temperatura, sino también su estado físico. El refrigerante cambiará de fase de líquido a gas y viceversa, absorbiendo y liberando calor.

Termodinámica en enfriadoras y bombas de calor

El ciclo termodinámico de las enfriadoras y las bombas de calor es exactamente el mismo. El ciclo puede utilizarse para calentar o enfriar, utilizando un ciclo de compresión de vapor. En un sistema sencillo, éste consta de cuatro componentes principales: 

Compresor: El compresor es el corazón del sistema e impulsa todo el proceso de refrigeración. El gas refrigerante a baja presión (vapor saturado) entra en el compresor y se comprime en un gas caliente a alta presión (vapor sobrecalentado). Este gas refrigerante caliente fluye entonces hacia el siguiente elemento del sistema, que es el condensador. 

Condensador: El condensador es un intercambiador de calor que también cambia el estado del refrigerante de gas a líquido. En el condensador, el vapor sobrecalentado se condensa en un líquido a alta presión (líquido saturado), cuando intercambia calor no deseado a través del agua o del aire. Este cambio de estado libera calor latente y subenfría el refrigerante. 

💡 Conviene saber

En el proceso de enfriamiento de un sistema de refrigeración, el condensador actúa como intercambiador de calor para liberar el calor no deseado a la atmósfera a través del aire o del agua. 
En el proceso de calefacción de un sistema de bomba de calor, este calor se intercambia para utilizarlo en los circuitos de calefacción y agua caliente del edificio.


Válvula de expansión: El refrigerante líquido a alta presión pasa a través de una válvula de expansión. Esto reduce la presión, lo que reduce la temperatura, dando como resultado un líquido refrigerante frío a baja presión.

Evaporador: El refrigerante líquido frío de baja presión entra en el evaporador. Al igual que el condensador, el evaporador también es un intercambiador de calor que inicia un cambio de estado en el refrigerante. El refrigerante absorbe calor del aire o del agua, lo que provoca su ebullición y evaporación en un gas a baja presión (vapor saturado). Este cambio de estado absorbe calor, dejando el aire o el agua refrigerados.

El gas a baja presión pasa del evaporador al compresor y el ciclo vuelve a empezar.

💡 Conviene saber

En el proceso de refrigeración de un sistema de refrigeración, el calor se intercambia entre el refrigerante del evaporador y los circuitos de refrigeración (circuito de agua refrigerada). 
En el proceso de calefacción de un sistema de bomba de calor, el calor se intercambia entre el refrigerante y el aire ambiente o el agua.


Esperamos que ahora comprenda mejor la termodinámica de las bombas de calor y los sistemas de refrigeración. Pero antes de irse, hay algo más que debe saber: cómo elegir el mejor producto de calefacción, ventilación y aire acondicionado para sus necesidades. 

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