Máquina frigorífica y bomba de calor

Explica con tus palabras cómo puede un frigorífico «sacar frío» si lo que realmente hace es mover calor: de dónde lo toma, dónde lo expulsa y qué máquina aporta el trabajo necesario.

La figura muestra el ciclo frigorífico con sus cuatro componentes, pero uno está tapado. Indica qué componente falta, qué le ocurre al refrigerante en él (cambio de estado y de presión) y en qué parte de tu frigorífico de casa está situado físicamente.

Ordena los cuatro pasos del ciclo frigorífico tal como los recorre el refrigerante: (a) se evapora a baja presión absorbiendo calor, (b) se expansiona y baja bruscamente su temperatura, (c) se comprime aumentando presión y temperatura, (d) se condensa cediendo calor al exterior. Explica qué componente realiza cada paso.

Define el coeficiente de operación (COP) de una máquina frigorífica y explica qué significa un COP de $3$ en términos de calor extraído por unidad de electricidad consumida. ¿Por qué un COP mayor indica un equipo más eficiente?

Un frigorífico extrae $600\ \text{kJ}$ de calor de su interior cada hora consumiendo $200\ \text{kJ}$ de energía eléctrica. a) Calcula su eficiencia o coeficiente de operación, $\mathrm{COP} = \frac{Q_1}{W}$. b) Calcula el calor total que cede a la cocina en esa hora. c) Explica por qué el COP puede ser mayor que $1$ sin violar la conservación de la energía.

Se introducen cuatro latas de refresco a $25\ ^\circ\text{C}$ en un frigorífico que puede extraer $100\ \text{W}$ de calor de su interior. Estima el tiempo mínimo para llevarlas a $5\ ^\circ\text{C}$ (masa total de líquido $1{,}4\ \text{kg}$, calor específico aproximado del agua $4\,180\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\text{K})$) y comenta dos razones por las que el tiempo real será mayor.

Un frigorífico que extrae $600\ \text{kJ}$ de calor de su interior cada hora consumiendo $200\ \text{kJ}$ de energía eléctrica se usa en invierno como bomba de calor para calefactar una vivienda. Calcula su COP como bomba de calor, $\mathrm{COP}_{bc} = \frac{Q_2}{W}$, y explica por qué la bomba de calor calefacta con más energía térmica que un radiador eléctrico de la misma potencia.

Un aire acondicionado consume $1{,}2\ \text{kWh}$ de electricidad en una tarde y extrae $3\,600\ \text{kcal}$ del aire de la vivienda. a) Convierte el calor a $\text{kWh}$ ($1\ \text{kWh} = 860\ \text{kcal}$) y calcula el COP. b) Calcula el calor cedido al exterior. c) Compara con un ventilador: ¿dónde va la energía eléctrica en cada aparato?

Una vivienda necesita $8\ \text{kW}$ de calefacción. Compara tres soluciones con su coste energético por hora de funcionamiento: un radiador eléctrico de efecto Joule, una bomba de calor con $\mathrm{COP}_{bc} = 4$ y una caldera de gas con rendimiento del $90\,\%$. Calcula la potencia consumida en cada caso y comenta qué otras variables (precio de la energía, emisiones) habría que considerar para decidir.

El ciclo de Carnot inverso fija el COP máximo teórico entre dos focos: $\mathrm{COP}_{max} = \frac{T_1}{T_2 - T_1}$ con temperaturas absolutas. a) Calcula ese límite para un congelador a $-18\ ^\circ\text{C}$ en una cocina a $25\ ^\circ\text{C}$ (convierte a kelvin). b) Compara con el COP real típico ($2$ a $3$) y explica dos razones de la diferencia (irreversibilidades, diferencias de temperatura en los intercambiadores).

Compara los refrigerantes antiguos (CFC) con los actuales: qué problema ambiental causaban en la capa de ozono, qué exige hoy la normativa al sustituirlos y por qué la eficiencia energética del ciclo también es un factor ambiental, no solo el gas utilizado.