Cómo funciona el aire acondicionado de mi coche (1): teoría general

A/C denoche

Los señores del tiempo (climático, no el doctor Who) no han sido muy generosos conmigo, ya que al poner en la planificación mensual que hoy iba a hablar de los principios físicos que explican cómo funciona el aire acondicionado de los coches no contaba que a mitades de setiembre haría un día tan lluvioso y frio. Por lo menos donde yo vivo. Bueno, espero que recordéis un poco este artículo cuando Apolo tenga a bien volver acercar el astro rey al cenit del cielo.

En definitiva, en este artículo intentaremos repasar los principios físicos que utiliza el aire acondicionado de nuestro coche para acondicionar el ambiente, con lo cual no sólo consigue mitigar la canícula, sino que también aumenta el confort y disminuye la fatiga, por lo que el aire acondicionado se puede considerar un sistema de seguridad activa en toda regla. Hoy hablaremos de la teoría general, mientras que dentro de siete días explicaremos más en detalle el mecanismo concreto.

Cómo funciona el aire acondicionado

La energía ni se crea ni se destruye

Esta frase representa una de las leyes físicas más conocidas por el público en general, la conservación de la energía. Es una ley tan importante que en termodinámica le han puesto un nombre más: el primer principio de la termodinámica.

¿Por qué es relevante el primer principio de la termodinámica para saber cómo funciona el aire acondicionado? Pues porque la temperatura no es más que una forma de energía, que de forma general podemos llamar energía térmica. Una nota: quizá a alguien le suena el término “energía interna” de las clases de termodinámica; es un concepto más genérico que energía térmica, pero por simplicidad obviaremos estos matices.

En particular, cuanto mayor sea la temperatura de algo, más energía térmica tendrá. Comoquiera que la finalidad del aire acondicionado es reducir la temperatura del aire que sale por las salidas de ventilación del coche, eso significa que lo que tiene que hacer es quitarle energía térmica. Y como la energía no se puede destruir, esa energía que hemos quitado del aire del vehículo debe ir a parar a algún sitio.

No voy a alargar el misterio: la energía térmica que retiramos del aire interior va a parar al aire que está fuera del vehículo. En definitiva, lo que hace el aire acondicionado es enfriar el interior a costa de calentar el exterior. Por eso, los aire acondicionados en edificios suelen tener una unidad exterior, es la encargada de enviar la energía sobrante al entorno.

Cómo funciona el aire acondicionado

El mundo al revés

Si tenemos el aire acondicionado encendido, normalmente significa que el aire en el exterior del vehículo está más caliente que el de dentro. De lo contrario, no nos haría falta el acondicionador. Eso significa que el aire acondicionado básicamente se encarga de enfriar lo que ya está frío a cambio de calentar lo que ya está caliente.

Esto es justo lo contrario a lo que pasaría de forma natural. Cuando ponemos en contacto térmico dos cuerpos a temperaturas diferentes, lo que pasa de forma espontánea es que el frío se calienta un poco y el caliente se enfría hasta que se igualan las temperaturas. Al final, la temperatura de ambos cuerpos será igual, un valor intermedio entre las temperaturas iniciales de ambos cuerpos.

Es decir, si pusiéramos el coche frío en un ambiente caliente, de forma natural pasaría lo mismo: las temperaturas se igualarían en un valor intermedio. Ahora bien, como la atmósfera terrestre es muy grande, su variación de temperatura a penas se notaría. A la práctica, lo que pasaría es que el interior del coche se calentaría hasta igualar la temperatura con el ambiente (aunque si está bajo la luz directa del sol, se producirá una especie de efecto invernadero que aumentará la temperatura por encima de la ambiental).

Y ahora viene el momento de mencionar una ley Física con nombre grandilocuente: el segundo principio de la termodinámica (en total, la termodinámica tiene cuatro principios; aunque en vez de tener un cuarto principio, tenemos un principio cero).

El segundo es un principio que se puede enunciar de muchas formas diferentes, algunas formas muy matemáticas, otras muy llaneras. La forma más sencilla de enunciarlo es probablemente lo que hemos explicado en los anteriores párrafos: si no hacemos nada más, el flujo de calor siempre va de las cosas calientes a las frías. Es decir, las cosas que están a altas temperaturas tienden a enfriarse; y las que están a menor temperatura tienden a calentarse.

Con todo esto, el lector avispado se habrá dado cuenta de que tenemos un conflicto. Hemos visto que el aire acondicionado enfría lo que ya está frío (el interior) y calienta lo que ya está caliente (el exterior). Por contra, el segundo principio de la termodinámica dice que, si no hacemos nada, el flujo de calor debería ir en sentido contrario.

El quid de la cuestión está en el matiz “si no hacemos nada”. Es decir, que para que el flujo de calor vaya en el sentido contrario al que nos da el segundo principio, tenemos que hacer algo.

¿Y qué es lo que tenemos que hacer? Pues gastar más energía. Una energía que la termodinámica llama trabajo.

Cómo funciona el aire acondicionado

La energía ni se crea ni se destruye (bis)

Como veremos con algo más de detalle en la segunda entrega, en el caso del aire acondicionado de los vehículos, esa energía en forma de trabajo procede directamente del motor. Por eso, en ocasiones conectar el aire acondicionado se traduce en una pérdida de potencia disponible para la conducción; una disminución que el conductor experimentado puede notar fácilmente.

Ya sabemos de donde viene la energía en forma de trabajo. Pero, ¿a donde va después? Pues resulta que se utiliza, también, para calentar el entorno.

En definitiva, el ciclo completo de la energía es así:

  1. El aire del interior del vehículo pierde cierta cantidad de energía térmica. Es decir, se enfría. Este aire frío se bombea al habitáculo para comodidad de los pasajeros.
  2. El motor del aire acondicionado (que llamamos compresor) consume cierta energía en forma de trabajo, que procede directamente del motor del vehículo a través de una correa de transmisión.
  3. El aire del exterior del vehículo recoge la energía utilizada en los dos puntos anteriores. En consecuencia, se calienta más de lo que el aire de dentro se enfría (porque el trabajo del motor también se ha convertido en calor). Aunque quizá la fotografía del coche en llamas ha sido exagerar un poco…

Aunque parezca sencillo, y hasta cierto punto insubstancial, el análisis de procesos termodinámicos como éste puede revelar muchísimas cosas del funcionamiento de nuestro mundo. Por ejemplo, ahora ya sabemos que si el exterior está más caliente que el interior, no tenemos ninguna esperanza de conseguir un aire acondicionado sin gastar energía adicional.

Porque, pensadlo, sería mucho más eficiente si fuera posible simplemente quitar la energía térmica del interior y conducirla amablemente al exterior. Pero resulta que eso es físicamente imposible. El segundo principio de la termodinámica lo prohíbe explícitamente. Si queremos forzar que el flujo de calor vaya al revés de lo que sería natural, tiene un precio. Un precio en forma de trabajo.

Esto es todo en cuanto al fundamento más teórico del aire acondicionado. Que, por cierto, es idéntico al que podríamos haber hecho con una nevera o congelador. Salvo obviamente en lo tocante a la procedencia de la energía en forma de trabajo, en el coche procede directamente del motor de combustión, mientras que los refrigeradores domésticos incorporan su propio motor eléctrico. En la segunda parte de “Cómo funciona el aire acondicionado de mi coche” dedicaremos una mirada más profunda al mecanismo Físico concreto que hace posible todos estos intercambios de energía.

En Circula seguro | ¿Qué es la climatización del coche?
Fotos | Alexi Kostibas, William Grootonk, Alexey Matveichev, Jason Bolonski