El ciclo de Carnot invertido: un refrigerador
1 · Predecir
Al ejecutar el ciclo de Carnot al revés, el motor se convierte en un refrigerador: el trabajo neto entra en lugar de salir. ¿El gas todavía absorbe calor del depósito frío, como un refrigerador real que extrae calor de su interior?
- No: invertir el ciclo también invierte qué depósito absorbe calor.
- Un ciclo inverso no intercambia calor con ninguno de los depósitos.
- Sí, el ciclo inverso absorbe calor del lado frío y vierte más calor en el lado caliente, utilizando el trabajo de entrada para hacerlo.
2 · Configurar
- Abra el preajuste carnot-fridge y presione Restablecer. Las mismas patas 4 que el ciclo de carnot se ejecutan en orden inverso.
- Habilite la lectura de trabajo por tramo y las lecturas de COP de enfriamiento/calentamiento.
- Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo de la pierna y el trabajo realizado por el gas durante esa pierna.
3 · Recopilar Datos
| número de pierna | Volumen objetivo de la pierna V (L) | Trabajo realizado por gas en esta pierna. (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Dibuja el diagrama P-V, trazando los catetos en orden. Compare la dirección de viaje (en sentido horario o antihorario) con el diagrama del experimento del ciclo de Carnot.
4 · Analizar
- Sume los valores de trabajo de sus 4 legs: el total (trabajo neto realizado POR el gas) debe resultar negativo, lo que significa que se debe suministrar trabajo neto AL gas. Calcule el COP de refrigeración = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 y el COP de calefacción = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- Compare el orden de los tramos aquí con el orden de los tramos de Carnot-cycle. Explique cómo simplemente invertir la secuencia de las mismas 4 legs invierte el ciclo de un motor (salida neta) a un refrigerador (entrada neta).
5 · Ampliar
- Un COP de enfriamiento de 1.0 significa que el refrigerador mueve 1 J de calor fuera del espacio frío por cada 1 J de trabajo suministrado. Un COP de calefacción de 2.0 (modo bomba de calor) significa que entrega 2 J de calor al espacio cálido por 1 J de trabajo. Explique por qué COP_heat siempre es exactamente 1 más que COP_cool para los mismos depósitos.
- A diferencia de la eficiencia del motor (siempre ≤ 1), el COP puede exceder 1; eso no es una violación de la conservación de energía. Explique por qué COP > 1 es posible: la energía adicional entregada proviene del depósito que se enfría, no de la nada.
La física detrás de este experimento
Coeficiente de rendimiento del refrigerador
El rendimiento de enfriamiento de un ciclo de Carnot invertido se mide mediante COP_cool = Tc/(Th − Tc): cuánto calor se elimina del espacio frío por unidad de trabajo suministrada. Las diferencias de temperatura más pequeñas dan un COP mejor (más alto).