Producción de entropía en un frigorífico real

De Laplace

1 Enunciado

Para mantener su interior a 4°C en una habitación que se encuentra a 27 °C un refrigerador ha de extraer 360 kJ/min de su interior. Si la entrada de potencia requerida por el refrigerador es 2 kW, determine:

1. Eficiencia del refrigerador. Compárela con la eficiencia de un refrigerador ideal (reversible) que trabaje entre los mismos focos térmicos.
2. Potencia extra que consume este frigorífico respecto a uno ideal que extraiga la misma energía de su interior.
3. Entropía generada por segundo en el universo por la operación del frigorífico real.

2 Eficiencia del refrigerador

La eficiencia de un refrigerador se expresa habitualmente en términos del coeficiente de operación (COP), denotado por COP_R. También se utiliza a veces la letra η. USaremos esta última notación en este problema.

La eficiencia de un refrigerador es el calor extraído del foco frío dividido por el trabajo requerido para hacer funcionar el refrigerador. Por supuesto esta definición es igualmente válida cuando se emplea el calor extraido y el trabajo requerido por unidad de tiempo. Entonces para nuestro refrigerador tenemos:

Esta eficiencia se encuentra dentro del rango de valores típicos del COP para refrigeradores reales.

Por otra parte, sabemos que para un refrigerador ideal la eficiencia es una función exclusivamente de las temperaturas del foco frío y del foco caliente:

Es decir, que la eficiencia del refrigerador real es un 25% de la eficiencia teórica máxima que se podría alcanzar para un refrigerador trabajando entre esos focos térmicos. Esto es lo que suele denominarse eficiencia de la segunda ley ó eficiencia del segundo principio.

3 Potencia extra consumida

Dado que la eficiencia de la máquina real es cuatro veces más pequeña que la eficiencia ideal, la potencia necesaria para extraer la misma energía por unidad de tiempo del foco frío en la máquina real debe ser necesariamente mayor que para la máquina real. La potencia extra necesaria puede calcularse como y asumiendo, como hemos dicho, que ambas máquinas absorben el mismo calor del foco frío obtenemos:

Es decir, que la máquina reversible solamente necesitaría el 25% (0.5 kW) de los 2 kW empleados por la máquina real para obtener el mismo resultado.

4 Entropía generada

El trabajo que se obtiene en un refrigerador es la diferencia entre el calor cedido al foco caliente y el calor absorbido del foco frío.

Este trabajo puede relacionarse con el incremento de entropía del universo cuando opera la máquina. Recordemos que la máquina es cíclica y por tanto no existe incremento de entropía por ciclo en su interior, pero sí existe un incremento de entropía asociado a la absorción o cesión de calor de los focos:

Despejando en esta ecuación y sustituyendo en la expresión del trabajo se obtiene:

Si la máquina es reversible el principio de incremento de entropía establece que ΔS = 0 y por tanto el trabajo que se obtiene es:

que es una demostración de la ecuación para la eficiencia ideal que se ha empleado en el primer apartado. Entonces la expresión para el trabajo de la máquina real se podría escribir como:

En virtud del segundo principio de la termodinámica sabemos que en cualquier máquina real la entropía del universo aumenta. Entonces ΔS > 0 en la ecuación anterior y como la temperatura absoluta es siempre positiva tenemos que . Es decir, que cualquier máquina real operando entre los mismo focos deberá realizar un trabajo mayor que para extraer el mismo calor del foco frío. Por tanto, en un refrigerador real existe siempre un trabajo extra o energía desperdiciada debido a las irreversibilidades de la máquina que, en virtud de la ecuación anterior, es:

Nótese que el trabajo extra es una magnitud proporcional al incremento de entropía del universo en el proceso. Comprobamos aquí que el incremento de entropía nos da una información cuantitativa del grado de irreversibilidad de un proceso y de la degradación de la energía que conlleva (el trabajo extra T_cΔS se añade al calor total trasvasado por el refrigerador foco caliente).

En definitiva el incremento de entropía del universo puede calcularse a partir de la potencia extra:

Nótese que al estar la energía expresada por unidad de tiempo (potencia) lo que obtenemos realmente es el incremento de entropía del universo por segundo (ritmo de generación de entropía).