Ejercicios: 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.

Toca la rejilla trasera de tu frigorífico: está templada o caliente. Explica de dónde sale ese calor y por qué la cocina se calienta ligeramente cuando el frigorífico está funcionando.

Explica qué es el refrigerante o fluido frigorigeno y qué dos propiedades debe tener para el ciclo (punto de ebullición bajo a baja presión y capacidad de absorber calor al evaporarse). ¿Por qué no se usa simplemente agua?

Un mismo equipo de aire acondicionado puede enfriar en verano y calentar en invierno. Explica qué cambia entre ambos modos (qué intercambiador actúa como evaporador y cuál como condensador) y cómo se llama la válvula que invierte el ciclo.

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?

Explica por qué no conviene dejar la puerta del congelador abierta «mientras se decide qué sacar»: qué le ocurre al calor que entra, a la escarcha y al trabajo que tendrá que hacer después el compresor.

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.

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.

Explica por qué el congelador funciona peor si la cocina está muy caliente o si las rejillas del condensador están cubiertas de polvo, razonándolo con el ciclo: qué le cuesta más al compresor cuando la temperatura del foco caliente sube y qué le ocurre al COP.

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?

Compara una bomba de calor aerotérmica (toma calor del aire exterior) con una geotérmica (lo toma del terreno mediante sondas): qué temperatura del foco frío tiene cada una en enero, cómo afecta eso al COP y por qué la geotérmica cuesta mucho más de instalar.

El evaporador de un frigorífico se cubre de escarcha con el tiempo. Explica de dónde procede esa agua, por qué la escarcha perjudica el intercambio de calor (efecto aislante) y cómo lo resuelven los sistemas «no frost» (resistencia de desescarche periódica y ventilador).

Dos frigoríficos idénticos funcionan uno junto al horno y otro en la despensa fresca. Razona cuál consumirá más y por qué, relacionándolo con la diferencia de temperaturas que debe salvar el ciclo y con el aislamiento del mueble.

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.

Una tienda deja la puerta del frigorífico abierta «para refrescar la cocina». Analiza energéticamente qué ocurre realmente con la temperatura de la cocina a lo largo del tiempo: qué calores entran y salen del aparato, qué aporta el compresor y cuál es el balance neto sobre la habitación.

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.

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).

Diseña a nivel conceptual la climatización anual de una vivienda con un único equipo reversible: esquema de los dos intercambiadores y la válvula de inversión, consignas para verano e invierno y una explicación de por qué este equipo puede sustituir a caldera y aire acondicionado por separado, con sus límites en climas muy fríos.

Un frigorífico «no para de arrancar» y enfría poco. Elabora un diagnóstico razonado con al menos cuatro causas posibles (fuga de refrigerante, condensador sucio, termostato averiado, junta de la puerta deteriorada), el síntoma observable de cada una y la comprobación que la confirma.

Los refrigerantes naturales (CO₂, propano, amoniaco) vuelven a la industria. Compara con los fluorados: potencial de calentamiento global, inflamabilidad o toxicidad de cada natural, presiones de trabajo del CO₂ y qué sectores los están adoptando (supermercados, industria alimentaria) con sus razones.

Las «neveras de barro» evaporativas enfrían sin electricidad en climas secos. Explica el principio físico (calor de vaporización del agua), por qué funcionan peor en climas húmedos, qué temperaturas pueden alcanzar respecto al ambiente y evalúa su utilidad real para conservar alimentos o medicamentos en zonas sin red eléctrica.