¿Cómo enfrían los frigoríficos?

En plena ola de calor veraniega se multiplican los artículos sobre aparatos para enfriar: desde el botijo hasta el frigorífico pasando por el aire acondicionado.

U/no de los más interesantes que he visto apareció en el suplemento Tercer Milenio del Heraldo de Aragón. Explica de forma sencilla y con ilustraciones cuál es el mecanismo que utilizan los frigoríficos para enfriar, por qué cuesta abrir la puerta cuando se acaba de cerrar, qué son los CFC, etc.

Pero también explica cómo funcionaban  los primeros aparatos, qué tuvo qué ver Einstein en esta historia y cuál es el futuro en este campo: el enfriamiento magnético.

Por cierto, el gadolinio es un metal que en estado puro tiene una estructura metálica sólida formada por átomos de gadolinio. Vamos, que no hay moléculas de gadolinio (este es uno de los errores más comunes: pensar que todo son moléculas). 

Y sin más dilación, aquí transcribo el artículo.

Para entender cómo funciona un frigorífico vamos a realizar unos sencillos experimentos. El primero de ellos es coger alcohol, del de desinfectar heridas. Si lo aplicamos a la piel, observamos una sensación de frío. Si soplamos, el frío es más intenso. La explicación es que para que el líquido se convierta en vapor necesita energía, que absorbe de las cosas que están en su proximidad: el aire y nuestra piel. Al quitar energía de la piel, esta se enfría. Este principio es el que usa la naturaleza para que nos enfriemos en el verano. Nuestra piel produce sudor, un líquido que, al evaporarse, roba calor a la piel y nos mantiene frescos.

Al pasar de líquido a gaseoso, el líquido se hace más voluminoso, se expande. Para enfriar no hace falta pasar de líquido a gas, basta con que un gas de expanda para que se enfríe. Lo podemos ver con cualquier spray casero que contenga un gas a presión. Por ejemplo un desodorante. Cojamos el spray. Toquemos su cabeza, notaremos que está a temperatura ambiente. Cuando apretamos, el gas a alta presión empieza a salir y va a una zona de menor presión, por lo que se expande. Dejemos de apretar y ahora volvamos a tocar la cabeza. Notaremos que está fría. El gas, al expandirse, se enfría robando calor del aire y del propio spray.

¿Cómo funciona el frigorífico?

Ya tenemos los ingredientes de cómo funciona un frigorífico. Hacemos un circuito que tiene una parte por el exterior del aparato y otra por el interior. En el interior del circuito hay un gas refrigerante que se comprime y se saca al exterior. El gas, al comprimirse, se hace líquido y se calienta. Eso ocurre fuera del frigorífico, en un serpentín, bastante largo para que esté mucho tiempo en contacto con el aire exterior y se disipe el calor.

¿Cuál es el refrigerante?

Una de las claves de los frigoríficos caseros es el refrigerante, que debe pasar de líquido a gas y viceversa con mucha facilidad a las temperaturas habituales de una casa. El primer aparato capaz de producir hielo lo hizo William Cullen, un médico y químico escocés, en 1748. Utilizaba como refrigerante éter etílico. Lamentablemente, el éter es muy inflamable y se produjeron muchos accidentes. En 1876, el alemán Carl Von Linde patentó un frigorífico en el que el refrigerante era menos peligroso: amoniaco. Otro refrigerante que fue bastante utilizado era el dióxido de azufre. Ambos refrigerantes no son inflamables, pero son altamente venenosos. Los primeros frigoríficos caseros, pues su precio podía pagarlo una familia, los construyó la General Electric en 1927. Lamentablemente, si la familia dormía en la misma habitación que el frigorífico y había una fuga del refrigerante, podía intoxicarse e incluso morir.

¿Inventó Einstein frigoríficos?

Fue la muerte de varias familias lo que llevó a Albert Einstein, junto con su discípulo Leo Szilard, a patentar tres tipos diferentes de frigoríficos. La mayor parte de las fugas se producían en el compresor. Así que ellos pensaron en hacer frigoríficos sin compresor ni partes móviles y que, además, su refrigerante fuera lo menos tóxico posible. Lo lograron. De hecho hay varias patentes de sus aparatos que se basaban en tres principios físicos diferentes. Algunos de ellos se fabricaron, pero no tuvieron mucho éxito.

Hoy, el 'ciclo Einstein' se utiliza en refrigeradores de muchas centrales nucleares debido a que no tiene partes móviles. Por esa misma razón son silenciosos, por los que hay hoteles que los emplean en el minibar. Lo único que necesitan los frigoríficos de Einstein para funcionar es una fuente de calor. No necesitan compresor y, por tanto, no necesitan electricidad. Esto los hace ideales para países del tercer mundo.

¿Qué son los CFC y los HFC?

La búsqueda de gases refrigerantes no tóxicos llevó al descubrimiento de los freones, que se empezaron a fabricar por la empresa Dupont en 1931. Freón era el nombre comercial de varios clorofluocarbonos (CFC). Son gases inertes no venenosos. Durante muchos años se pensó que eran inofensivos. Hoy sabemos que no es así. El cloro que contienen es el culpable del deterioro de la capa de ozono. Hoy en día, se utiliza como gas refrigerante hidrofluocarbonos (HFC), en los que el cloro perjudicial se ha sustituido por hidrógeno.

¿Por qué nos cuesta abrir el frigorífico nada más cerrarlo?

La presión de un gas que se mantiene a volumen constante es directamente proporcional a la temperatura. Si pensamos en el frigorífico, el volumen interno no cambia, pero la temperatura sí. Al abrirlo, ha salido el aire frío de su interior y ha entrado aire caliente. Al cerrar la puerta, el aire de su interior se enfría y, por tanto, su presión disminuye. Fuera del frigorífico la presión es aproximadamente de una atmósfera. Dentro es menor, por tanto, la presión atmosférica 'empuja' la puerta del frigorífico y hace que sea difícil abrirla.

¿Frigoríficos magnéticos?

El gadolinio pertenece al grupo de las tierras raras. Cuando se introduce en un campo magnético, sus moléculas se ordenan y, al hacerlo, se calienta. Cuando cesa el campo magnético, las moléculas vuelven a desordenarse y el material se enfría. A este fenómeno se le llama magnetocalórico. Pensemos por un momento en un disco de gadolinio que gira, la mitad del mismo dentro del frigorífico y la otra mitad fuera. Aplicando el imán fuera, lograríamos enfriar en interior.

Recientemente se han descubierto cerámicas que funcionan mejor que el gadolinio y prometen, en el plazo de dos años, frigoríficos sin refrigerante contaminante, sin compresor y que consumen un 40% menos.