Principio de la refrigeracion.


En la escala atómica de las cosas, bajas temperaturas significan orden y altas temperaturas desorden. En cualquier sustancia, en un volumen dado, los átomos están más ordenados a una baja temperatura que a una más alta. De modo que, si queremos usar algo como refrigerante, debemos encontrar la forma de introducir orden en las estructuras atómicas. La forma más natural de realizar esto es comenzar con algo que al principio, este muy desordenado. Algo adecuado sería un gas, ya que sus átomos se desplazan al azar, en forma muy desordenada.

Si tomamos un poco de gas en un cilindro aislado y lo comprimimos empujando el pistón, como el mostrado en el siguiente dibujo 1-A y 1-B, podríamos pensar que aumentamos el orden atómico, ya que es indudable que hemos forzado a los átomos a estar más juntos.

Pero no es así. Cuando se presiona el pistón de este cilindro aislado, no solo acercamos a los átomos entre sí, sino que también les proporcionamos más energía que proviene del trabajo realizado al empujar el pistón en contra de la presión del gas. A pesar de que los átomos del gas están más juntos, al mismo tiempo se desplazan de un lado para otro mucho más violentamente que antes. Concretamente, hemos elevado la temperatura del gas al comprimirlo. Podemos demostrar que hasta ahora no estamos en una situación mucho mejor que la anterior; el aumento de orden logrado por el acercamiento de los átomos se ha compensado con el aumento del desorden, debido a que ahora se mueven de un lugar a otro mucho más violentamente. En realidad, como se puede apreciar, lejos de disminuir la temperatura, la hemos aumentado Si el gas que se encuentra en el cilindro es aire que estaba a la temperatura ambiente, digamos 20°C, al presionar con el pistón hasta la mitad, la temperatura sube hasta casi 115°C.

Supongamos ahora que, en vez de mantener el cilindro aislado, y mientras seguimos empujando el pistón, hacemos circular agua fría alrededor de la parte exterior del cilindro, enfriando de nuevo el gas a la temperatura ambiente. Hecho esto, el gas por cierto estará más ordenado que antes, ya que ahora los átomos se mueven casi con la misma velocidad que al principio (pues hemos vuelto la temperatura a su valor inicial mediante una camisa de agua) ; por otra parte, los átomos están mucho más cerca entre sí que al comienzo. En resumen, hemos aumentado el orden atómico del gas, o sea, y hablando técnicamente, hemos reducido la entropía,  dibujo 1-C.

Si somos lo suficientemente inteligentes, podemos usar ahora este aumento en el orden, o entropía reducida, para lograr una temperatura más baja del gas. Aislamos el cilindro otra vez, y dejamos que el pistón retorne a la posición en que estaba al comenzar todo este experimento, permitiendo así la expansión del gas. Ya que esta vez hemos mantenido el cilindro aislado, podemos suponer en contra, que nuevamente que durante este segundo proceso no se producirá ningún cambio en el orden total (o desorden) atómico del gas. Es cierto que ocupa de nuevo más espacio, de modo que en esta forma esta más desordenado; pero para llegar a esto, cada átomo debe perder algo de su energía cinética y por ello se mueve con más pereza.

De hecho, pierden su energía cinética al empujar el pistón en lugar nuestro. Lo que logramos con todo esto es que el gas estar mucho más frio que al principio. Si volvemos al ejemplo de un cilindro con aire, este estaría ahora idealmente enfriado a unos -  50°C, dibujo 1-D.

 

Por último, si transformamos todo este sistema en un ciclo regular mediante algún tipo de máquina, entonces este proceso repetido será uno de los métodos más importantes para lograr bajas temperaturas.

Si hubiésemos comenzado la operación de enfriamiento con gas amoniaco, es muy posible que llegáramos a licuar el gas directamente, usando un ciclo continuo de este tipo. El amoniaco gaseoso se licua a unos -30°C, y sería muy fácil llegar a esta caída de temperatura, aun en una maquina real que tuviera perdidas de calor, además de otros defectos.

Pero si lo que deseamos es licuar un poco de aire, para lo cual necesitamos descender a temperaturas tales, como -190°C, no es difícil ver que sería necesario hacer una maquina con ciclos sucesivos. Por ejemplo, podemos empezar enfriando o licuando, primero un gas, y luego usar esta etapa para enfriar otro gas y seguir de este modo si es necesario y ¿hasta dónde podremos llegar con este proceso? Bien, presumiblemente, por lo menos en teoría, podríamos continuar hasta haber licuado o solidificado todas las sustancias. Para comprender como puede suceder esto debemos pensar un poco más porque una sustancia se licua a una temperatura y otras, a temperatura distinta.



Eduardo Ghershman, 13.1.2018