1 Nociones fundamentales sobre la teoría del frío

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1 Nociones fundamentales sobre la teoría del frío Introducción El concepto de frío es muy relativo. Aquí, en invierno, decimos que hace frío si la temperatura ambiente está a +10 o C. En cambio, en el norte de Europa, tienen sensación de frío cuando están a una temperatura de -10 o C. Por tanto, para poder hablar de frío, debemos prescindir de este juicio subjetivo y pensar que el frío es ausencia de calor Campo de aplicación del frío El campo de aplicación del frío posiblemente comenzó con las antiguas vasijas o cántaros de arcilla, que por evaporación, enfriaban el agua que contenían. Actualmente, se aplica el frío a todos los sectores, cárnico, pesquero, hortofrutícola, lácteo, fabricación de hielo, panadería, pastelería, químico, etc. En el capítulo 17 del libro se explican con más detalle las diversas aplicaciones del frío Breve historia del frío Hace muchos años, se serraba el hielo de los lagos de los países nórdicos en bloques, que se conservaban bajo una espesa capa de turba o serrín de madera para utilizarlo durante el verano. En el siglo XVI ya se conocían las mezclas frigoríficas. En 1755, Cullen consigue evaporar agua con una bomba de vacío. En 1834, Perkins construye una máquina de compresión de éter. En 1849, Gorrie construye la primera máquina de aire frío. En 1862, Carre lanza su máquina de absorción. En 1867 se empieza a utilizar el amoníaco Primeras máquinas de compresión En 1870, Linde construye una máquina de compresión de funcionamiento realmente seguro. En 1876, Tellier consigue transportar en barco carne refrigerada desde América hasta Europa. En 1895, Linde desarrolla una máquina de refrigeración con aire líquido. Los primeros compresores trabajaban con amoníaco, anhídrido sulfuroso, anhídrido carbónico y cloruro de metilo. 7

2 Los compresores herméticos se empezaron a construir entre los años 1903 y Al principio también se aplicaba el anhídrido carbónico, pero al perfeccionar el funcionamiento de las máquinas de amoníaco, se pasó a este refrigerante. 1.2 Calor Índice de calor: nos indica que una instalación frigorífica no produce frío, sino que realmente absorbe calor Calor y movimiento molecular Todo cuerpo o materia está compuesto por un conjunto de moléculas en continuo movimiento, que representa una forma de energía. Cuanto más alta sea la velocidad de las moléculas que chocan entre sí generando calor, más alta será la temperatura del cuerpo en igualdad de condiciones externas. Si, por el contrario, extraemos calor a este cuerpo por algún medio, el movimiento molecular será cada vez más lento llegando a un punto en que cese totalmente, existiendo una ausencia de calor. Este punto se alcanza al llegar al cero absoluto ó 0 K (0 Kelvin), que en la escala Celsius representa una temperatura de -273ºC Dilatación de sólidos y líquidos Siempre que calentamos un sólido, éste se dilata en función de la temperatura. Si por el contrario enfriamos este sólido, se contrae. Lo mismo ocurre con los líquidos, al calentarlos se dilatan y al enfriarlos se contraen. Los termómetros de mercurio o de alcohol teñido nos indican las variaciones de temperatura en función de la dilatación y contracción del líquido Unidades de cantidad de calor La caloría se define como la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua, a +15 o C y a una presión de 1 bar. kilocaloría = calorías; termia = calorías La unidad en el S.I. es el julio, que tiene las siguientes equivalencias: 1 caloría = 4,185 julios 1 kcal = julios 1 termia = julios En el sistema angloamericano, la unidad de cantidad de calor es la B.T.U.: 1 B.T.U. = 0,25 kcal 1 kcal = 4 B.T.U. 8

3 1.2.4 Calor específico Es la cantidad de calor necesario para aumentar un grado la temperatura de un cuerpo. Representa la cantidad de calor a suministrar a la unidad de masa de un cuerpo para elevar su temperatura un grado. El calor específico del agua es de 1 kcal/kgºc Calor sensible y calor latente Calor sensible es el necesario para elevar x grados la temperatura de un cuerpo o fluido con un calor específico c, se mide con un termómetro. Calor latente es el necesario para pasar un fluido de un estado a otro. De sólido a líquido: calor de fusión; de sólido a gaseoso: calor de sublimación; de líquido a gaseoso: calor de evaporación. En el proceso inverso tendríamos el calor de solidificación y de condensación. Durante el cambio de estado, el fluido no experimenta cambio de temperatura. Este proceso se llama endotérmico. 1 kg de hielo a -10 o C + 5 kcal = 1 kg hielo a 0 o C 1 kg de hielo a 0 o C + 80 kcal = 1 kg agua a 0 o C 1 kg agua a 0 o C + 20 kcal = 1 kg agua a +20 o C 1 kg agua a +20 o C + 80 kcal = 1 kg agua a 100 o C 1 kg agua a 100 o C kcal = 1 kg vapor a 100 o C Para los procesos frigoríficos nos interesa utilizar fluidos con un elevado índice de calor latente, es decir, con una capacidad elevada de absorción de calor para obtener su evaporación a la temperatura que deseamos Mezclas frigoríficas Hemos visto que el hielo para fundirse necesita calor, también para evaporarse. El calor de fusión del agua es de 80 kcal/kg y el de evaporación de 539 kcal /kg. Al mezclar agua y sal, ésta se disuelve y se funde. Al hacerlo, roba calor de su entorno. A esta mezcla la llamamos mezcla frigorífica o eutéctica. La propiedad característica de la mezcla eutéctica es que funde a una temperatura constante, ésta, además, es más baja que la de los elementos que forman la eutéctica Transmisión de calor por conducción, convección y radiación Calor de conducción: se realiza en un mismo cuerpo cuando está a diferentes temperaturas. La parte caliente se desliza hasta la parte fría, hasta que alcanza la misma temperatura. 9

4 Calor de convección: se realiza entre un cuerpo sólido y un fluido. Las diferencias de densidad crean en el seno del fluido un movimiento de convección que puede ser natural o forzado. Calor de radiación: consiste en la emisión de ondas electromagnéticas hacia los cuerpos circundantes. Éstas se transmiten únicamente en línea recta y no precisan ningún medio para ello. El calor solar se transmite por radiación Coeficiente de transmisión de calor El coeficiente global de transmisión de calor K es el utilizado para calcular el paso de calor de un cuerpo a otro. El valor de K se mide en kcal/ h m 2 o C El paso de calor de un cuerpo a otro es proporcional a la superficie, a su coeficiente de transmisión de calor y a la diferencia de temperatura. Q = K S (t 1 - t 2 ) Q; cantidad de calor en kcal / h K; coeficiente de transmisión de calor en kcal / h m 2 ºC t 1 ; temperatura de la zona caliente, en ºC t 2 ; temperatura de la zona fría, en ºC S; superficie del cuerpo considerado en m Evaporación condensación Colocamos un recipiente con agua sobre una llama y dentro del agua un termómetro. Suponiendo una presión sobre el agua de 1 bar (corresponde a la presión atmosférica), el agua empieza a hervir (cambio de agua a vapor de agua) a una temperatura de 100 o C. De acuerdo con la teoría cinética del calor, si añadimos más calor a una materia contrarrestamos la fuerza, similar a la de un imán que mantiene las moléculas unidas, y creamos un movimiento energético entre las mismas, hasta llegar al punto de separarlas, pasando el agua de su estado líquido al de vapor. Al pasar a vapor de agua ocupa más espacio, por lo que conviene contrarrestar la presión atmosférica para reducir el mayor volumen, es decir, parte del calor se utiliza para contrarrestar la atracción entre las moléculas y otra para contrarrestar la presión atmosférica. El total de energía que se utiliza durante el paso de líquido a vapor constituye el calor de evaporación, que es calor latente y no se puede medir con un termómetro. A 0 m sobre el nivel del mar 1,033 kg/cm 2 A ,811 A ,628 A ,481 A ,270 10

5 Al comparar estas presiones con los puntos de ebullición del agua a distintas alturas, se observa como hay una relación directa, porque, al tener que vencer menor presión, el agua hierve antes a mayor altura. Si, por otro lado, aumentamos la presión sobre el agua por encima de la atmosférica, tardará más en hervir. Presión absoluta 0,0013 0,0029 0,062 0,125 1,033 Punto de ebullición -20 o C -10 o C 0 o C +50 o C +100 o C y si aumentamos la presión del agua por encima de la presión normal: Presión absoluta 2,03 4,87 15, Punto de ebullición +120 o C +150 o C +200 o C +300 o C +374 o C Con los datos característicos de cada líquido, pueden formarse curvas, introduciendo, el concepto de entalpía, entropía, estado de saturación, etc., formando así los diagramas de Mollier. Condensación es el fenómeno inverso de la evaporación. La del vapor de agua va siempre acompañada de un desprendimiento de calor y se observa que el calor latente de condensación es igual al de evaporación. Durante la condensación la presión y la temperatura permanecen constantes Punto de ebullición Cada líquido tiene su propio punto de ebullición a una determinada temperatura y según la presión que se ejerce sobre el mismo. Al alcanzar ese punto, el líquido se evapora, siempre que se disponga de una fuente de calor Calor de evaporación Si experimentamos con el éter, que se evapora a la presión atmosférica, observamos que al echar unas gotas sobre la mano el líquido va desapareciendo y la mano se va enfriando. El éter, al evaporarse, toma el calor que necesita de la mano (calor latente). El calor latente de evaporación de un líquido a una temperatura es la cantidad de calor necesario para que la unidad de masa en estado líquido pase al estado de vapor saturado, a la misma temperatura y la misma presión que el líquido. 1.3 Características de los gases A diferencia de los sólidos y los líquidos, el volumen ocupado por un gas no sólo depende de su temperatura, sino también de su presión. 11