Refrigeración: hacer girar un ciclo al revés para subir el calor
Haz girar un motor térmico al revés y se vuelve un frigorífico: en vez de dejar caer el calor de caliente a frío y cosechar trabajo, gastas trabajo para empujar el calor de frío a caliente. Esa es la única forma en que el calor sube cuesta arriba, y así funciona cada nevera, congelador y bomba de calor.
Arrastra el trabajo W. El calor QC solo sube del lado frío al caliente porque gastas trabajo, y el lado caliente recibe QH = QC + W. El calor fluye por sí solo de caliente a frío, así que forzarlo cuesta arriba exige una bomba, y el trabajo W que gastas se convierte por completo en calor y se suma al lado caliente.
En un frigorífico real el refrigerante recorre cuatro partes: hierve en el evaporador (absorbiendo QC), lo comprime el compresor (trabajo), condensa en el condensador (soltando QH) y baja la presión en la válvula de expansión. Arrastra la fase: es un ciclo de Rankine al revés. El refrigerante es un fluido de punto de ebullición muy bajo, así que se evapora y absorbe calor incluso dentro de una nevera fría, el mismo truco por el que el sudor al evaporarse enfría la piel.
Un frigorífico se mide por su coeficiente de rendimiento, COP = QCW -- el calor movido por unidad de trabajo -- no por una eficiencia. Suele ser mayor que 1, porque mueves más calor que el trabajo que pagas. Un COP mayor que 1 no crea energía, pues la máquina no inventa calor sino que solo traslada el calor que ya existe fuera del espacio frío, de modo que el calor entregado puede superar al trabajo pagado sin violar la primera ley. Arrastra W.
La misma máquina es un frigorífico si quieres el lado frío frío (salida útil QC) y una bomba de calor si quieres el lado caliente cálido (salida útil QH). Como QH = QC + W, el COP de la bomba siempre es uno más. Por eso calentar con una bomba de calor supera a un calefactor eléctrico, que convierte una unidad de electricidad en una de calor, mientras que la bomba de calor extrae calor gratis del aire exterior o del suelo y entrega tres o cuatro. Alternalos.
Tres ideas: es un motor al revés, hace falta trabajo para subir calor (el enunciado de Clausius), se mide por el COP, y el mejor COP = TC(TH−TC) crece al achicarse la diferencia de temperatura. Con eso se cierra el lazo: de un solo estado, a las leyes, a los ciclos que mueven nuestro mundo. Ese salto de temperatura se nota en casa, pues una bomba de calor trabaja más duro en los días más fríos, cuando la diferencia entre el interior y el exterior es mayor.