Cómo se mueve el calor con un gas
Demos un paso al costado un momento y veamos cómo se comportan los gases. Si alguna vez has inflado las ruedas de una bicicleta, sabrás que el bombín de una bicicleta se calienta bastante. La razón es que los gases se calientan al comprimirlos (apretarlos). Para que el neumático soporte el peso de la bicicleta y de tu cuerpo, tienes que introducir aire a alta presión. El bombeo hace que el aire (y la bomba por la que pasa) se caliente un poco más. ¿Por qué? Al exprimir el aire, tienes que trabajar bastante con la bomba. La energía que utilizas en el bombeo se convierte en energía potencial en el gas comprimido: el gas del neumático está a una presión y una temperatura más altas que el aire frío que te rodea. Si comprimes un gas en la mitad de su volumen, la energía térmica que contienen sus moléculas llena sólo la mitad del espacio, por lo que la temperatura del gas aumenta (se calienta).
Trabajo artístico: Los gases se calientan más cuando los comprimes en menos volumen, porque tienes que trabajar para acercar sus moléculas energéticas. Por ejemplo, cuando se infla un neumático de bicicleta, la bomba aspira aire y lo comprime en menos espacio. Esto hace que sus moléculas (las manchas rojas) se junten y se calienten.
Mover más calor transformando los gases en líquidos y viceversa
Si tienes una mente inventiva, probablemente puedas imaginar la creación de algún tipo de artilugio similar a una bomba que infle un neumático de bicicleta en un lugar y luego lo desinfle en otro, lo que movería el calor entre los dos. Sin embargo, es una idea torpe, y en realidad no podemos mover mucho calor de esa manera: necesitaríamos una gran cantidad de gasolina, para empezar. Sin embargo, podríamos mover una cantidad decente de calor dejando que un gas se expanda y se contraiga mucho más para que se convierta en un líquido y vuelva a serlo; en otras palabras, cambiándolo a un estado diferente de la materia.
¿Cómo funcionaría eso? Mira lo que ocurre con una lata de aerosol, que contiene un líquido almacenado a presión. Cuando se rocía un aerosol en la mano, probablemente haya notado que se siente muy frío. Esto se debe, en parte, a que parte del líquido se enfría y se vaporiza (se convierte en gas) al salir de la lata. Pero también se debe a que una parte del líquido entra en contacto con tu piel caliente y se vaporiza en ese momento: se convierte en gas robando el calor de tu cuerpo y eso hace que tu piel se sienta más fría. Esto nos dice que permitir que los líquidos se expandan y se conviertan en gases es una forma muy eficaz de eliminar el calor de las cosas. No es una gran sorpresa: así funciona el sudor y por eso los perros sacan la lengua para refrescarse en los días calurosos.
Foto: Los líquidos pueden convertirse en gases (y los gases se enfrían) cuando dejas que se expandan en más volumen. Por eso los aerosoles se sienten tan fríos.
Aunque los sólidos y los líquidos ocupan prácticamente la misma cantidad de espacio, los gases ocupan mucho más que cualquiera de ellos. Las moléculas de un sólido o un líquido están muy juntas y se atraen entre sí con mucha fuerza. Cuando un líquido se convierte en gas, o se vaporiza, algunas de sus moléculas más energéticas se separan y se rompen. Se necesita mucha energía para que esto ocurra, lo que se conoce como calor latente de vaporización, y esa energía tiene que proceder del propio líquido o de algo cercano. En otras palabras, convertir un líquido en un gas es una forma de eliminar la energía de algo, mientras que volver a convertir un gas en un líquido es una forma de liberar esa energía de nuevo. Así es como los frigoríficos trasladan el calor de su armario refrigerador al exterior. Convierten un líquido en un gas dentro del armario de refrigeración (para recoger el calor de los alimentos almacenados), lo bombean fuera del armario y lo vuelven a convertir en un líquido (para liberar el calor en el exterior).
Animación: La idea básica de lo que a veces se llama refrigeración mecánica. En el interior de un frigorífico (1), transformamos un líquido en gas para recoger el calor del interior del armario frigorífico (2), lo bombeamos al exterior de la máquina y lo volvemos a transformar en líquido para liberar allí su calor (3).
El ciclo de calentamiento y enfriamiento
Al comprimir gases en líquidos, podemos liberar calor; al dejar que los líquidos se expandan en gases, podemos absorber calor. ¿Cómo podemos utilizar esta práctica física para trasladar el calor del interior de un frigorífico al exterior? Supongamos que hacemos una tubería que esté en parte dentro de la nevera y en parte fuera de ella, y que la sellamos para que sea un bucle continuo. Y supongamos que llenamos la tubería con un producto químico cuidadosamente elegido (con un punto de ebullición bajo) que cambia fácilmente entre líquido y gas, lo que se conoce como refrigerante. Fuera del refrigerador, podríamos tener algo como una bomba de bicicleta para comprimir el gas, liberar su calor y convertirlo de nuevo en líquido. Si el producto químico fluyera alrededor del bucle, expandiéndose cuando estuviera dentro del refrigerador y comprimiéndose cuando estuviera fuera, recogería constantemente el calor del interior y lo llevaría al exterior como una cinta transportadora de calor. De este modo, podríamos trasladar constantemente el calor de un lugar frío (dentro de la nevera) a otro más caliente (fuera de ella), algo que las leyes de la física no permiten que ocurra automáticamente (si se deja a su aire, el calor fluye de las cosas más calientes a las más frías).
Y, sorpresa, así es casi exactamente como funciona una nevera. Hay algunos detalles adicionales que vale la pena señalar. Dentro del frigorífico, la tubería se expande a través de una boquilla conocida como válvula de expansión (más técnicamente, es lo que se llama un orificio fijo). Cuando el líquido refrigerante pasa a través de ella, se enfría drásticamente y se convierte en parte en gas. Esta ciencia se conoce a veces como efecto Joule-Thomson (o Joule-Kelvin) en honor a los físicos que lo descubrieron, James Prescott Joule (1818-1889) y William Thomson (Lord Kelvin, 1824-1907). No te sorprenderá descubrir que el compresor del exterior del frigorífico no es en realidad una bomba de bicicleta. En realidad, es una bomba accionada eléctricamente. Es lo que hace que un frigorífico zumbe de vez en cuando. El compresor está unido a un dispositivo parecido a una rejilla llamado condensador (una especie de radiador fino detrás del frigorífico) que expulsa el calor no deseado.
Foto: El aire húmedo del interior de su frigorífico contiene vapor de agua. Cuando el frigorífico se enfría, esta agua se convierte en hielo. La parte más fría del frigorífico es la nevera de la parte superior. Esto se debe a que la válvula de expansión está situada justo al lado.
Foto: Este es el compresor de un frigorífico típico. Observe las tuberías que llevan el refrigerante a un lado y al otro. No puede ver esta unidad a menos que aleje el aparato de la pared, porque está escondida en la parte trasera y en la parte inferior. Vea más fotos en el cuadro de abajo.