¿Un motor térmico dentro de un refrigerador aumenta la eficiencia?

Considere un ciclo de refrigeración normal, excepto que un motor térmico funciona con la diferencia de temperatura entre el evaporador y el condensador, como se muestra a continuación.

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Este motor térmico alimenta el compresor, de modo que podemos tener líquido para estrangular (y, por lo tanto, enfriar por evaporación) nuevamente.

El estado 1 es un líquido, que se estrangula y, por lo tanto, se enfría por cambio de fase al estado 2, que luego pasa a través de un evaporador que absorbe calor del motor térmico. El estado 3 es entonces vapor completo, que pasa por una compresión para aumentar la presión a vapor más caliente en el estado 4. Este vapor caliente luego pasa a través de un condensador que suministra calor al motor térmico y el refrigerante se condensa de nuevo al estado líquido 1.

¿Permitiría este diseño un refrigerador más eficiente?

"Sin tener en cuenta las irreversibilidades, ¿este diseño permitiría una máquina de refrigeración perpetua?" - sin tener en cuenta la existencia de la gravedad, ¿puedo caminar en el aire entre las cimas de dos rascacielos vecinos?
@EmilioPisanty No, pero ¿cuál es el sentido de su retórica? La respuesta a mi pregunta original también es "no". Mi ciclo de refrigeración propuesto no funcionará incluso si todos los componentes son completamente reversibles, debido al teorema de Carnot.
Independientemente de cuán bien planteada esté el resto de la pregunta, esa declaración no tiene cabida en una discusión seria de física de la forma en que la expresó.
@EmilioPisanty Estoy de acuerdo... Debería haberlo reformulado como "¿Esto aumentará la eficiencia del ciclo de refrigeración?" o "¿Por qué esto no es un refrigerador perpetuo?", ya que eso era más de lo que estaba preguntando.
Si está de acuerdo en que la publicación debe corregirse, edítela y arréglela.

Respuestas (3)

El motor térmico que hace funcionar el compresor nunca puede ser perfectamente eficiente. De hecho, su eficiencia está limitada por la eficiencia de Carnot, η = 1 − T C T H , por lo que generalmente ni siquiera puede estar cerca de ser perfectamente eficiente. Mientras funciona, siempre se produce algo de calor residual y, por lo tanto, el trabajo realizado sobre el fluido por el compresor es menor que el que sería necesario para extraer la misma cantidad de calor del condensador que se puso en el evaporador (en otras palabras, q H < q C ). Como tal, en cada ciclo subsiguiente, se extraerá cada vez menos calor del condensador, lo que significa que se introducirá cada vez menos calor en el evaporador. Esto significa que la diferencia de temperatura entre el evaporador y el condensador eventualmente disminuirá a cero, momento en el que el motor térmico y el compresor dejarán de funcionar por completo.

De hecho, la eficiencia de Carnot del dispositivo en el dibujo es TAN baja (por ejemplo, 3%-5%) que se detendría muy rápidamente. Este dispositivo también violaría la segunda ley de la termodinámica si funcionara.
@DavidWhite ¿Cómo obtiene la eficiencia de Carnot de este dispositivo? ¿No tendría que saber qué fluido se está utilizando como fluido de trabajo para obtener T H y T C ?
No. Solo necesita conocer las temperaturas de fuente y sumidero. Si no recuerdo mal, la eficiencia se calcula como 1 - Tc/Th.
@DavidWhite Ese es exactamente mi punto. ¿De dónde obtienes las temperaturas de fuente y sumidero?
En realidad, la temperatura de la fuente tendría que ser la temperatura del condensador, pero el OP no se da cuenta de que no puede usar la temperatura del disipador del evaporador. Si el evaporador simplemente eliminó el calor de un ambiente pequeño, NO desea devolver ese calor a ese ambiente. Veo tu punto, y el OP también debería verlo. Esto significa que la única temperatura del fregadero disponible es la temperatura ambiente, como la temperatura del aire exterior.
@DavidWhite, ¿entonces la eficiencia de Carnot para el dispositivo que dibujé es tan baja porque mis "depósitos" fríos y calientes tienen básicamente la misma temperatura que el ambiente?
@Dibujo, sí. La eficiencia de un motor térmico está directamente relacionada con la caída de temperatura por la que puede pasar una cantidad determinada de calor. Incluso dada una GRAN cantidad de calor disponible, si no hay diferencia de temperatura entre la fuente y las temperaturas del sumidero, no puede obtener ningún resultado.

¡Felicidades! Has descubierto el experimento mental que impulsa muchos argumentos de la termodinámica clásica.

Entonces, si el motor térmico o el refrigerador son demasiado eficientes, el sistema describirá espontáneamente un flujo de calor desde un depósito frío a uno caliente; esto se toma como experimentalmente imposible: nadie ha visto nunca tales flujos espontáneos.

¿Cuál es la máxima eficiencia? Esto viene dado por un motor/refrigerador perfectamente reversible, uno que puede funcionar en ambas direcciones con las mismas transferencias de calor y trabajo. La razón por la que es máxima es simplemente porque podría encajar en cualquiera de las ranuras aquí: si tuviera un motor más eficiente, podría usarlo como refrigerador para obtener un flujo espontáneo de frío a caliente; si tuvieras una nevera más eficiente podrías usarla como motor para hacer lo mismo.

Aquí viene la parte que nuestros libros de texto pasan por alto un poco: estas ideas estaban originalmente disponibles para Sadi Carnot, pero con algunas otras ideas, solo especifican que la transferencia de calor para un motor reversible de este tipo debe depender de alguna manera de la temperatura: no dicen exactamente cómo. Y no pueden porque hasta este punto la temperatura es ambigua: se mide por la expansión y contracción de algún fluido complicado, digamos, pero no tiene una descripción microscópica limpia. Resultó que necesitábamos que Thomson viniera e inventara una escala de temperatura absoluta antes de que pudiéramos seguir avanzando.

Dando por sentado el trabajo científico posterior, podemos, por ejemplo, construir una nevera reversible a partir de un pistón de gas ideal: tal gas es también, a presión constante, un termómetro de temperatura absoluta. Podemos determinar que en términos del “ciclo de Carnot” que aquí surge de expansión/compresión isotérmica intercalada con expansión/compresión adiabática, el calor intercambiado debe obedecer q caliente / q frío = T caliente / T frío en términos de esta temperatura absoluta. Esto da una base concreta para hablar directamente sobre esta eficiencia, pero también fue la puerta de entrada para que Clausius pensara que tenía que haber algo importante sobre esta relación. q caliente / T caliente = q frío / T frío y definir los cambios de entropía como d S = d q / T .

No quieres hacer eso. Su motor térmico bombeará calor de regreso al refrigerador, reduciendo así su eficiencia. Quiere en cambio liberar el calor al exterior. La fuente caliente será el condensador. Cuanto más caliente esté el condensador, menos eficiente será el refrigerador, por lo que no querrá un condensador demasiado caliente.

Si calculas el trabajo total, W T gastado para restar un dado q C desde el refrigerador, ves que aumentar la temperatura para hacer que el ciclo de Carnot sea más eficiente hace que gastes más trabajo, porque las disminuciones en el rendimiento del refrigerador son mayores que las ganancias producidas por el motor térmico ( T a y q a son la temperatura exterior y el calor liberado, respectivamente):

W T = W − W C a r norte o t = ( q h − q C ) − ( q h − q A ) = ( T A T C − 1 ) T h q C

Por supuesto, asumí que tanto el refrigerador como el motor térmico están hechos de motores de Carnot reversibles.

Esto supone un refrigerante particular y un tipo de aceite lubricante. Puede haber estándares de la industria sobre este tipo de cosas, pero aun así, me gustaría saber a qué sustancias en particular se aplican sus números.
¿Un motor térmico dentro de un refrigerador aumenta la eficiencia?
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