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

1. Abra el ajuste preestablecido carnot-fridge y presione Restablecer. Los mismos 4 tramos que el ciclo de Carnot se ejecutan en orden inverso.
2. Habilite la lectura de trabajo por tramo y las lecturas de COP de enfriamiento/calentamiento.
3. Para cada tramo del ciclo (1 a 4), lea el volumen objetivo del tramo y el trabajo realizado por el gas durante ese tramo.

3 · Recopilar datos

Dibuje el diagrama P-V, trazando los tramos en orden. Compare la dirección de recorrido (en sentido horario o antihorario) con el diagrama del experimento del ciclo de Carnot.

4 · Analizar

1. Sume los valores de trabajo de sus 4 tramos: 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.
2. Compare el orden de los tramos aquí con el orden de los tramos del ciclo de Carnot. Explique cómo simplemente invertir la secuencia de los mismos 4 tramos invierte el ciclo de un motor (trabajo neto hacia fuera) a un refrigerador (trabajo neto hacia dentro).

5 · Ampliar

1. 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.
2. 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

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