En la primera parte de «Cómo funciona el aire acondicionado de mi coche» vimos someramente los Principios Físicos que gobiernan la trasferencia de de calor en un aire acondicionado. Nos dimos cuenta de que el cometido principal del acondicionador es hacer que el flujo de calor tenga el sentido contrario del natural, y para que eso pase tenemos que gastar un montón de energía en forma de trabajo.
Como os prometí, hoy vamos a tratar más de cerca el mecanismo Físico que el aire acondicionado utiliza para bufar aire frío a nuestra nariz. Si hay algo que todos sabemos sobre cómo funciona el aire acondicionado de un coche es que, cuando se estropea, el mecánico nos pide por lo menos media docena de billetes rojos para recargar el refrigerante. De ello sacamos la conclusión de que esa cantidad de gas que metemos en el sistema es lo más importante. Pero, exactamente, ¿qué es lo que hace el refrigerante?
Ciclo termodinámico
Pues el sufrido refrigerante lo que hace es padecer una serie de transformaciones, tras las cuales se queda igual. Pero ojo, aunque el refrigerante se queda igual al final de todas estas transformaciones, hay efectos secundarios: el mundo exterior no queda igual. El efecto neto es que energía térmica que estaba en el aire del interior del coche va a parar al aire de fuera del coche. Esto es lo que llamamos un ciclo termodinámico.
Podemos pensar en una cinta transportadora de equipaje en un aeropuerto. El equipaje está en las dependencias internas de la compañía aérea, y la cinta transportadora los lleva hasta las manos de los pasajeros. No obstante, la cinta transportadora no sufre ningún cambio neto, simplemente da vueltas.
Durante todo el proceso, la cinta sufre algunos cambios; por ejemplo, un punto concreto de la cinta a veces está aplastado porque hay una maleta encima, y otras veces no. No obstante, cuando todos los pasajeros se han ido, la cinta vuelve a estar como empezó. El resultado neto ha sido que las maletas que estaban en el avión ahora ya están en posesión de sus dueños.
En definitiva, el refrigerante es una especie de cinta transportadora de energía. Se hacer circular por el interior de un tubo. Durante una parte del viaje, el refrigerante está en contacto con el aire del interior del vehículo. Durante esta fase, lo que hace es absorber la energía térmica del aire. El resultado es que el aire se enfría, y después es bombeado al interior del habitáculo para confort de los pasajeros.
Después, el refrigerante pasa por otra zona del tubo que está en contacto con el aire del exterior del vehículo. En ese sector, el refrigerante libera la energía térmica que ha acumulado, de forma que vuelve a su temperatura y estado normal. El refrigerante se ha vuelto a su estado inicial, completando el ciclo termodinámico. El gas ha vuelto a su estado inicial, pero el resultado neto del ciclo ha sido extraer calor del interior y liberarlo al exterior.
No quiero terminar este apartado sin recordar que hay otros ciclos termodinámicos de suma importancia en la automoción. Sin ir más lejos, el propio funcionamiento del motor se basa en ellos. Los motores de gasolina tradicionales se basan en el ciclo Otto, mientras que los que repostan gasoil hacen uso del ciclo Diésel. Pero esos ciclos termodinámicos los explicaremos en otra ocasión.
Calor latente y cambio de fase
No obstante, con hacer circular el refrigerante como en un tío vivo no es suficiente para hacer un aire acondicionado. Como dijimos en la primera parte, si no se hace nada, el flujo de calor irá de caliente a frío. Entonces, ¿cómo obligamos al refrigerante que absorba el calor cuando está en el interior del vehículo, y que lo suelte cuando está fuera de él?
La respuesta es: haciendo que sufra un cambio de fase. Una fase para los físicos es lo que la gente suele llamar «estado de la materia», y se suelen distinguir tres: sólido, líquido y gas. La realidad es bastante más complicada, en algunas substancias no existe diferenciación entre las fases líquida y gaseosa, y suelen haber varias fases sólidas (el ejemplo más conocido es el agua: hay unas 15 formas de hielo, con propiedades físicas diferentes; en la imagen anterior vemos doce de ellos). Pero, para lo que nos importa ahora, esta diferencia no es importante.
Concretamente, lo que ocurre con el refrigerante es que cambia entre fase líquida y fase gaseosa durante el ciclo termodinámico. Es decir, forzamos que hierva y después a que se vuelva a condensar. Sabemos que para que un líquido hierva hay que darle calor. Es decir, cuando un líquido hierve, absorbe calor de su entorno. Es lo que llamamos calor latente.
Eso es justo lo que queremos que pase cuando el refrigerante está en contacto con el aire del interior del vehículo, en lo que llamamos la bobina de evaporación. Es decir, en la parte del ciclo en que el refrigerante está dentro del vehículo, obligamos a que se evapore. Y, al hacerlo, extraerá el calor, tal y como queremos.
¿Cómo obligamos a que se evapora? Pues funciona un poco al revés que una olla de presión. Sabemos que, al aumentar la presión, en el interior de la olla puede haber agua líquida a una temperatura mucho mayor de 100 grados, y eso acelera la cocción. Pues al revés, si queremos favorecer que el refrigerante se evapore más rápidamente, lo que hacemos es reducir la presión. Esto es lo que los físicos llamamos expansión.
Esquema del ciclo termodinámico del aire acondicionado
El compresor
Una vez el refrigerante se ha evaporado, absorbiendo todo el calor que ha podido, sigue circulando tan feliz por el circuito. Llega a otra bobina que está en contacto con el aire del exterior del vehículo. Aquí, queremos que pase lo contrario. Si cuando un líquido se convierte en gas absorber calor, cuando el gas vuelve a fase líquida libera ese calor. Y para forzar que se vuelva a condensar, lo que hacemos es aplicar presión al refrigerante. Por eso, esta segunda bobina se llama de condensación.
El responsable de aumentar la presión en la bobina de condensación es un motor llamado compresor. En el aire acondicionado de un coche, el compresor funciona gracias a una correa de transmisión conectada directamente del cigüeñal, y por eso efectivamente el aire acondicionado resta potencia al vehículo. Esta es la fuente de trabajo que es necesario proporcionar al sistema para hacer posible que el flujo de calor funcione en la dirección contraria a la normal, como ya explicamos en el primer artículo.
Gracias al impulso del compresor, el refrigerante que entra a la bobina de condensación en fase gaseosa se vuelva a condensar (de ahí el nombre). Al hacerlo, expulsa todo el calor que había acumulado. Ese calor va a parar fuera del coche. El resultado neto es que ese calor ha sido extraído del interior, mientras que el refrigerante ha vuelto a su estado inicial.
El circuito se cierra a través de la válvula de expansión. Es un sistema mecánico que permite mantener la diferencia de presión entre ambas bobinas. El refrigerante pasa, en fase líquida, a través de la válvula desde la bobina de condensación hacia la de evaporación.
Y, con esto, todo vuelve a empezar: en esta segunda bobina la disminución de presión hace que el refrigerante se hierva absorbiendo más calor. Después pasa por el compresor hacia la bobina de condensación, donde la mayor presión fuerza su condensación, con lo cual libera el calor. De nuevo válvula de expansión… etcétera.
Humedad y refrigerante
Antes de terminar, dos apuntes. El primero, mediante el mecanismo que acabamos de explicar, el aire acondicionado genera aire frío que después es bombeado a la cabina del vehículo. Como sabemos, el aire puede contener una cierta cantidad de vapor de agua, que depende de la temperatura. En concreto, el aire frío puede contener menos humedad que el caliente. El acondicionador, al enfriar el aire, hace que pueda contener menos humedad. El agua que sobra se condensa y, a menudo, se puede ver como gotea por debajo del vehículo; es algo normal y no preocupante… siempre que sea agua del aire acondicionado y no líquido refrigerante.
En conclusión, el aire acondicionado también tiene el efecto secundario de deshumedecer el aire. Eso tiene cosas buenas, por ejemplo se puede utilizar en conjunción con la calefacción para desentelar rápidamente el parabrisas. Pero también tiene efectos negativos, como resecar las mucosas.
El segundo apunte, ya para acabar, es sobre la naturaleza del refrigerante. Debe ser una substancia con unas propiedades Físicas concretas, como sufrir una transición de fase entre líquido y gas en condiciones de temperatura y presión adecuadas. Históricamente se utilizaron clorofluorocarburos (CFC). Eran gases con propiedades termodinámicas excelentes, no obstante muy contaminantes.Si se producía un escape, subían a las capas altas de la atmósfera e interferían con el ciclo de reacciones químicas que forman el ozono (¿os suena el famoso agujero en los polos?).
En la actualidad, la mayoría de vehículos utilizan una substancia llamada 1,1,1,2-tetrafluoroetano, también llamado R123a o HFC-134a. Es una substancia mucho menos peligrosa para la capa de ozono, aunque se estima que su efecto invernadero es unas 9000 veces peor que el CO2. Sin duda, hay grandes esfuerzos industriales y políticos (aunque no los suficientes) por encontrar nuevos gases ideales para su uso en sistemas de refrigeración sin tantos efectos negativos sobre el medio ambiente.
Con esto, creo que ya tenemos cierta idea de cómo funciona el aire acondicionado de mi coche. Por lo menos, conocemos los procesos Físicos que rigen todas las transformaciones termodinámicas que se llevan a cabo. Sin duda, nos hemos dejado en el tintero algunos detalles ingenieriles, ya que crear un aire acondicionado no es tan fácil como escribir sobre Física. Pero, por lo menos, la próxima vez que note el aliento helado que me ayuda a despertarme cada mañana al volante, sabré que tengo que darle las gracias al refrigerante para dejarse transformar impunemente. Y lo hace altruístamente, ya que, al final, siempre se queda igual.
En Circula seguro | Funcionamiento y uso del aire acondicionado, Cómo funciona el aire acondicionado de mi coche (1): teoría general
Fotos | Alberto Garcia, Desiree Miloshevic, Wilson Bentley, Ilmari Karonen, Wmfesp
