Cuestión 3 · Tecnología e Ingeniería II PAU Murcia Ordinaria 2024

a) Explicar el funcionamiento de una máquina frigorífica que funciona según un ciclo ideal de Carnot y representarlo gráficamente en un diagrama p - v.

Solución: - Funcionamiento: La máquina frigorífica opera según el ciclo de Carnot inverso (recorrido en sentido antihorario en el diagrama $p-v$), consumiendo trabajo externo $W$ para absorber calor $Q_c$ de un foco frío a temperatura $T_c$ y ceder calor $Q_h$ a un foco caliente a temperatura $T_h$. - Transformaciones: 1. Expansión adiabática reversible (1 $\rightarrow$ 2): El fluido se enfría desde $T_h$ hasta $T_c$ sin intercambio de calor. 2. Expansión isoterma reversible (2 $\rightarrow$ 3): A temperatura baja constante $T_c$, el fluido absorbe calor $Q_c$ del recinto que se desea enfriar. 3. Compresión adiabática reversible (3 $\rightarrow$ 4): Mediante aporte de trabajo $W$, el fluido eleva su presión y temperatura hasta $T_h$. 4. Compresión isoterma reversible (4 $\rightarrow$ 1): A temperatura alta constante $T_h$, el fluido cede calor $Q_h$ al foco caliente exterior.

b) Enumerar los componentes básicos de una instalación frigorífica real, explicar la función de cada uno, y relacionarlos con las transformaciones termodinámicas del ciclo ideal de Carnot descrito en el apartado a).

Solución: 1. Compresor: Aspira el refrigerante como vapor a baja presión/temperatura y lo comprime mecánicamente hasta alta presión y temperatura. Se relaciona con la compresión adiabática (3 $\rightarrow$ 4) del ciclo de Carnot. 2. Condensador: Intercambiador donde el vapor cede calor al ambiente exterior a presión constante, condensándose a líquido. Se corresponde con la etapa de cesión de calor (compresión isoterma 4 $\rightarrow$ 1). 3. Válvula de expansión (o tubo capilar): Provoca una caída brusca de presión mediante estrangulamiento isentálpico, reduciendo la temperatura del líquido refrigerante. En el ciclo ideal de Carnot se corresponde con la expansión adiabática (1 $\rightarrow$ 2) (en el ciclo ideal generaría trabajo mediante una turbina). 4. Evaporador: Intercambiador situado en el recinto refrigerado donde el líquido a baja presión se evapora absorbiendo calor del medio. Se corresponde con la expansión isoterma a baja temperatura (2 $\rightarrow$ 3).