PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DE LA REFRIGERACIÓN MAGNÉTICA Integrantes: Yaniris Ruedas Andrea Roa Rincón Adriana Ayala Marger Karina Gómez Yisel Katherine.

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1 PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DE LA REFRIGERACIÓN MAGNÉTICA Integrantes: Yaniris Ruedas Andrea Roa Rincón Adriana Ayala Marger Karina Gómez Yisel Katherine Castillo Barrera UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Bacteriología y laboratorio clínico Microbiología y Bioanalisis Fisicoquímica

2 RESUMEN La Refrigeración magnética es una de las tecnologías con mayor potencial comercial debido a sus ventajas ambientales y energéticas frente a los sistemas convencionales. Este artículo presenta los aspectos termodinámicos más importantes del efecto magnetocalórico, fundamental en el estudio de las transformaciones magnéticas y el desarrollo de la refrigeración magnética. REFRIGERACIÓN MAGNÉTICA EFECTO MAGNETOCALÓRICO CICLOS MAGNÉTICOS MATERIALES MAGNÉTICOS ENTROPIA MAGNÉTICA

3 REFRIGERACIÓN MAGNÉTICA: Es una avanzada técnica que permitirá en un futuro reemplazar los refrigeradores tradicionales y con esto contribuir a la reducción de la contaminación. EFECTO MAGNETOCALÓRICO: Es la capacidad que tiene un cuerpo para cambiar su temperatura por medio de un campo magnético. CICLOS MAGNÉTICOS: Carnot y Brayton. MATERIALES MAGNÉTICOS: El material magnético es aquel que en el funcionamiento de la refrigeración magnética se calienta. Algunos de los materiales de esta clase que resultan más prometedores para esta función son aleaciones metálicas.

4 Existen dos tipos de refrigeración. ¿Cómo funciona un REFRIGERADOR CONVENCIONAL? La idea principal del refrigerador es extraer el calor que hay en su interior hacia afuera. Es decir, enfocamos la operación de enfriar el recipiente, mediante la extracción del calor de su interior. De esta forma los alimentos de la nevera se mantienen a una temperatura determinada INTRODUCCIÓN Fuente: http://www.xatakaciencia.com/sabias-que/como-funciona-un- frigorifico-2

5 ¿Cómo se lleva a cabo el proceso de extracción de calor? Un frigorífico consiste en un circuito cerrado (es decir, una “tubería” por la que circula un fluido) formado por dos serpentines (tubo en forma espiral). Estos dos serpentines, cuya misión será condensar y evaporar un fluido, están colocados entre sí mediante un compresor y una válvula de expansión.

6 REFRIGERADORES CONVENCIONALES Y EL MEDIO AMBIENTE Los gases refrigerantes son refrigerantes químicos que se condensan a gran presión, pero tienen puntos de evaporación bajos. Históricamente, varios gases se han utilizado en los refrigeradores. Muchos de estos productos químicos se han eliminado, ya sea porque sus gases tienen el potencial de emitir cloro que agotan el ozono o porque las sustancias que contienen los componentes podrían contribuir al calentamiento global. Los primeros refrigerantes también fueron menos que ideales porque eran hidrocarburos derivados del petróleo crudo no sostenible. Clorofluorocarbonos o CFC son derivados de los hidrocarburos saturados. El gas de hidrofluorocarbono o HFC, reemplazó al CFC. El refrigerador convencional consume un 20% a un 30% más que un refrigerador magnético.

7 Refrigeración Magnética La refrigeración magnética es una de las tecnologías con mayor potencial comercial debido a sus ventajas ambientales y energéticas frente a los sistemas convencionales, aprovecha el efecto magnetocalórico (MCE) para reemplazar los procesos de compresión y expansión de los sistemas convencionales por procesos de magnetización y desmagnetización de un material magnetocalórico.

8 En la refrigeración magnética se emplea un fluido que transfiere la energía entre el refrigerante magnético y los depósitos. la manifestación del efecto magnetocalorico como un cambio de entropía isotérmico o un cambio de temperatura adiabático, permite obtener diferentes ciclos termodinámicos

9 Primero aplicamos un campo magnético los momentos magnéticos se alinean con el campo externo y el material se calienta. A través del contacto térmico con el exterior y manteniendo el campo externo, el material se enfría hasta la temperatura ambiente. Después suprimimos repentinamente el campo: los momentos se desalinean y el material se enfría. Se alcanza una temperatura más baja que la ambiental. El material se pone en contacto térmico con el objeto que queremos enfriar, simbolizado por un frigorífico. El objeto se enfría y el material se calienta hasta que ambos alcanzan una temperatura de equilibrio, inferior a la que tenía el objeto. El proceso puede repetirse y el resultado es que cada ciclo extrae una cantidad de calor del frigorífico cediendo calor al exterior, de modo que todas las temperaturas excepto la verde van bajando.

10 TERMODINÁMICA DEL EFECTO MAGNETOCALÓRICO

11 Los sistemas de refrigeración aprovechan el cambio en la entropía de un material debido a la variación de parámetros externos: presión o magnetización para producir frio. Estos fenómenos son conocidos como: Efecto Elastocalórico (ECE) Efecto Magnetocalórico (MCE) Durante un proceso adiabático (Q=0) podrían cambiar simultáneamente la presión y el campo magnético externo, produciendo el efecto magneto-elastocalórico (MECE).

12 ¿CUÁNDO AUMENTA O DISMINUYE LA ENTROPÍA DE UN MATERIAL FERROMAGNÉTICO? La magnetización y desmagnetización del material ferromagnético, a temperaturas cercanas a la temperatura de transformación magnética, favorecen el carácter reversible del proceso debido a los continuos cambios en el orden magnético. (MCE) Se manifiesta en dos formas: En un proceso adiabático En un proceso no adiabático Tipos: MCE convencional MCE gigante

13 Proceso 1-2: En un proceso adiabático: disminuye la entropía magnética, aumenta la entropía de retícula causando el aumento de la temperatura del material para mantener el entropía del sistema constante. Proceso 1-3: La temperatura es constante mientras la entropía cambia. MCE convencional

14 La principal característica de las transformaciones de primer orden es la discontinuidad en la entropía. MCE gigante

15 El cambio de entropía magnética para las transformaciones magnéticas de primer orden, durante la magnetización y desmagnetización, se calculan así: MAGNETIZACIÓN :

16 A diferencia de las transformaciones de primer orden, en las de segundo orden la entalpia de transformación es nula y no existe diferencia en el comportamiento de la capacidad calorífica, antes y después de la transformación. Estas diferencias son similares a la diferencia entre el enfriamiento a temperatura constante por evaporación de liquido y el enfriamiento por la simple expansión del gas.

17 PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS

18 La entropía del material depende de la temperatura y la intensidad magnética. Fuente: http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/Curiosid2/rc-93/rc-93.htm

19 Procesos de magnetización y desmagnetización  Reversibles Entalpía: H* Intensidad magnética: H

20 Los diferenciales de la entalpía y la energía libre de Gibbs se calculan empleando el diferencial de la energía interna:

21 La energía libre de Gibbs depende de la temperatura y la intensidad del campo magnético.

22 Sus derivadas parciales mixtas son iguales y se obtiene la ecuación de Maxwell

23 Diferencial total de la entropía Cuando el proceso no es adiabático el cambio en la entropía total es igual al cambio en la entropía magnética. Cuando el proceso es adiabático, la entropía total permanece constante 

24 El cambio de entropía magnética se puede calcular con las ecuaciones: Cambio de temperatura adiabático durante la desmagnetización y magnetización

25 CICLOS MAGNÈTICOS

26 Inicialmente, los refrigeradores magnéticos operaban con el ciclo de Carnot. Sin embargo, actualmente emplean ciclos regenerativos como los ciclos de Brayton y de regeneración magnética activa (AMR). El ciclo de Carnot es el ciclo más simple y representativo del MCE.

27 El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico reversible que usa un gas perfecto y que consta de cuatro etapas: Imagen tomada de: http://mquinastrmicas.blogspot.com/2011/07/maquinas-de- movimiento-perpetuo.html Imagen tomada de: https://www.youtube.com/watch?v=yHyeHdR1m5w

28 Imagen tomada de: https://www.youtube.com/watch?v=lF5jal-8Jt8 En contacto con el foco el gas se expande de forma isoterma por lo que se absorbe calor de la fuente

29 Imágenes tomadas de: https://www.youtube.com/watch?v=lF5jal- 8Jt8 Se aísla térmicamente el recipiente que contiene el gas así continúa expandiéndose, pero disminuye su temperatura.

30 Imagen tomada de: https://www.youtube.com/watch?v=lF5jal-8Jt8 Se comprime el gas manteniendo constante la temperatura. El gas cede calor al foco

31 Imágenes tomadas de: https://www.youtube.com/watch?v=lF5jal- 8Jt8 Aislado térmicamente el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial

32 Imagen tomada de: https://www.youtube.com/watch?v=lF5jal-8Jt8 Una máquina térmica que utilice el ciclo de Carnot se denomina máquina de Carnot y al ser reversible puede funcionar como motor produciendo trabajo o como frigorífico si realiza el ciclo en sentido inverso de forma que al aportar trabajo al sistema éste pueda transferir calor del foco frío al caliente

33 Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento El ciclo de Brayton se realiza en cuatro procesos, dos adiabáticos y dos donde la intensidad del campo magnético aplicado permanece constante En este ciclo la transferencia de calor se realiza en los procesos donde la intensidad magnética permanece constante. Por tanto, se obtienen intervalos de temperatura superiores a los del ciclo de Carnot Ciclo Brayton

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35 En aplicaciones de la refrigeración magnética a temperaturas altas, se emplean tres tipos de regeneradores: un regenerador externo, un regenerador interno y el regenerador magnético activo. El ciclo Brayton es un regenerador externo. En este tipo de regeneradores, la transferencia de calor entre el material regenerador (generalmente un sólido) y el material refrigerador se realiza a través de un fluido.

36 REGENERACION MAGNETICA ACTIVA(AMR) En el AMR, el material magnético no sólo es el material refrigerante sino también el regenerador. En el AMR, el gradiente de temperaturas es estable y la rata de flujo requerida para una carga de refrigeración dada es mucho menor que en el regenerador interno. Este ciclo permite obtener intervalos de temperatura de operación muy superiores a los obtenidos por ciclos termodinámicos convencionales, en un volumen considerablemente menor

37 Los procesos termodinámicos, son similares a los realizados en el ciclo de Brayton. Primero, el lecho magnético es magnetizado, por lo tanto el material magnético aumenta la temperatura. Después de la magnetización, el fluido absorbe energía del lecho magnético en un proceso donde el campo magnético aplicado permanece constante. El fluido entra por el extremo de menor temperatura y sale por el de mayor temperatura. Durante la desmagnetización todos los elementos del lecho magnético alcanzan las temperaturas locales más bajas del ciclo, por lo tanto cuando el fluido entra nuevamente al lecho magnético en lugar de absorber energía, expulsa energía calentando el lecho magnético. En este proceso, el fluido entra por el extremo de mayor temperatura y sale por el extremo de menor temperatura.. Esta descripción sólo es correcta cuando el lecho magnético tiene una capacidad de calor muy superior a la del fluido, y cumple tanto la función de material refrigerante como la de regenerador.

38 CONCLUSIONES -El proceso por el cual se produce este enfriamiento se denomina CICLO DE CARNOT (ciclo termodinámico ideal reversible con un rendimiento máximo). -La refrigeración magnética se constituye en una de las tecnologías más importantes y mayor potencial debido a sus ventajas ambientales y energéticas frente a los sistemas convencionales. -Los ciclos de Carnot y de Brayton permiten estudiar los aspectos básicos de la refrigeración magnética. Sin embargo, la aplicación del ciclo de Carnot se limita a bajas temperaturas y la del ciclo de Brayton a bajos intervalos de temperatura.

39 Principios termodinámicos de la refrigeración magnética, 2006 [en línea] http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=49614909 [consultado: 9 de marzo de 2014]http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=49614909 Refrigeración Magnética, 2008 [en línea] http://www.catedu.es/ctamagazine/index.php?option=com_cont ent&view=article&id=418&catid=55:curiosidades [Consultado: 25 de marzo de 2014] http://www.catedu.es/ctamagazine/index.php?option=com_cont ent&view=article&id=418&catid=55:curiosidades Refrigeración Magnética a temperatura ambiente, 2008 [en línea] http://www.acrlatinoamerica.com/20080910639/articulos/refrig eracion-comercial-e-industrial/refrigeracion-magnetica-a- temperatura-ambiente.html [consultado: 25 de marzo de 2014] http://www.acrlatinoamerica.com/20080910639/articulos/refrig eracion-comercial-e-industrial/refrigeracion-magnetica-a- temperatura-ambiente.html The Magnetocaloric effect and Its applications, 2003 [en línea] http://books.google.com.co/books?id=eVTwxfyhxfcC&printsec=f rontcover&hl=es&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage& q=elektronischen%20und%20Gitter%20Entropien&f=false [consultado 23 de marzo de 2014] http://books.google.com.co/books?id=eVTwxfyhxfcC&printsec=f rontcover&hl=es&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage& q=elektronischen%20und%20Gitter%20Entropien&f=false BIBLIOGRAFÌA

40 GRACIAS