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Curso de Aire Acondicionado y Climatización1

Sección 1 – Cap. 1Teoría del Calor

Tecnología de la Refrigeración y

Aire Acondicionado


1. Temperatura

Se puede considerar la temperatura como una descripción del nivel del calor,

mientras que puede considerarse el calor como energía en la forma de moléculas en movimiento.


1. Temperatura

El punto de congelación del agua es de 0 ºC y el punto de ebullición es de 100 ºC.

El agua pura se evapora a 100 ºC al nivel del mar y cuando la temperatura de la atmósfera es de 20 ºC.


1. Temperatura

Los termómetros primitivos eran del tipo de vástago de cristal, y operaban según la teoría de que cuando la sustancia contenida en la ampolla era calentada, se expandía y se elevaba dentro del tubo (actualmente se siguen empleando de modo común el

mercurio y el alcohol para esta aplicación).


1. Temperatura

El agua pura tiene un punto de congelación de 0 ºC, ¿Cuánto más puede descender la temperatura por debajo de 0º C? :La teoría es que el movimiento molecular se detiene a – 273 ºC (esta es una conclusión teórica, porque el

movimiento molecular nunca ha sido detenido completamente).La completa detención del movimiento molecular se denomina cero absoluto, y se ha calculado que se encuentra en el punto de -273º C.


1. Temperatura Hasta ahora hemos

expresado la temperatura en términos cotidianos, pero es igualmente importante en la industria del aire acondicionado, la calefacción y la refrigeración describir las temperaturas en términos que los técnicos empleen.

Comparación entre las escalas Fahrenheit y Celsius


1. Temperatura

La humanidad está normalmente expuesta a un rango de temperaturas comparativamente pequeño

La escala Fahrenheit es un sistema de medida de temperatura empleado en es sistema métrico inglés (sólo hay unos pocos países que utilizan este sistema, entre ellos los EE.UU.).


1. Temperatura

Las características nominales de los equipos se establecen en términos de temperatura absoluta.

Se proporcionan valores nominales de los equipos con el fin de establecer criterios que permitan comparar el rendimiento de unos con otros.


1. Temperatura

Utilizando estos valores nominales, los distintos fabricantes pueden comparar sus productos con los de otros fabricantes, y

Los usuarios pueden emplear dichos valores nominales de los equipos para realizar sus propias comparaciones.


1. Temperatura La escala absoluta

Fahrenheit se denomina escala Rankine (denominada así por su inventor W.J.M.

Rankine), mientras que la escala absoluta Celsius se denomina escala Kelvin (denominada así por el

científico Lord Kelvin).

Comparación entre las escalas Fahrenheit y Celsius


1. Temperatura

Las escalas de temperatura absoluta dan comienzo en el punto donde el movimiento molecular se detiene y utilizan el 0 como punto inicial.

Por ej., en la escala absoluta Fahrenheit se denomina cero absoluto o 0º Rankine (0º R). De la misma forma, 0 en la escala absoluta Celsius se denomina cero absoluto o 0º Kelvin (0º K).


1. Temperatura


1. Temperatura

En resumen, pues :

La Temperatura describe el nivel de calor o movimiento molecular, a medida que una sustancia se calienta, su movimiento molecular, y por tanto su temperatura, se incrementa.


2. Introducción al calor.

Las leyes de la termodinámica nos pueden ayudar a entender el concepto de calor. Una de estas leyes establece que el calor no puede ser creado ni destruido. Esto quiere decir que todo el calor que las personas pueden notar no se crea, sino que es meramente convertido a una forma de calor utilizable, a partir de algo que ya está presente. Este calor puede ser medido cuando se transfiere de una sustancia a otra.



La temperatura describe el nivel de calor con referencia a la ausencia de calor.



El término utilizado para describir la cantidad de calor se conoce como unidad térmica británica (British thermal unit, Btu) y en el SMD (sistema métrico decimal), como caloría. Estos términos explican cuánto calor está contenido en una sustancia. Puede determinarse la tasa de consumo de calor añadiendo la unidad temporal.



La unidad de calor es la caloría, siendo la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua 1º C : por ej. cuando se calienta 1 g de agua de 68º C a 69º C, el agua absorbe una caloría de energía calórica,

Con el calorímetro, se mide cuánto calor se absorbe en un proceso,



Se requiere 1 caloría de energía calorífica para calentar 1 gramo de agua de 68º C a 69º C



Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos sustancias, se produce una transferencia de calor.



Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos sustancias, se produce una transferencia de calor.

La diferencia de temperaturas es la fuerza motriz responsable de la transferencia de calor.

Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas, mayor será la transferencia calorífica.



El calor fluye naturalmente desde las sustancias más calientes a las sustancias más frías.



Ejemplo (para ilustrar la diferencia entre la cantidad de calor y el nivel de calor) : un tanque de agua que pesa 5 kg se caliente a un nivel de temperatura de 90º C, y otro que pesa 50.000 kg se calienta a 80º C.

El tanque de menor tamaño se enfriará primero hasta la temperatura ambiente, porque tiene una menor cantidad de calor



El tanque de 5 kg se enfriará hasta alcanzar la temperatura ambiente mucho más rápidamente que el tanque de 50.000 kg.

La diferencia de 10º C no es muy grande, pero el tiempo de enfriamiento es mucho mayor para el tanque de 50.000 kg, debido a la cantidad de agua.



Todo equipo de calefacción se define con valores nominales de acuerdo a la cantidad de calor que producirá (a fin de que el comprador elija inteligentemente el aparato correcto).



Si se necesita un calefactor de 20.000 Kcal/h para calentar una casa, debe elegirse un calefactor cuyo valor nominal sea de 20.000 Kcal/h, si no, la casa comenzará a enfriarse los días en que la temperatura caíga por debajo de la capacidad del calefactor.



En el SMI de medida, se utiliza el término julio (J) para expresar la cantidad de calor, al ser esta unidad muy pequeña, se emplea el kilojulio (KJ) :

1000 julios = 1 KJ

1 Btu = 1,055 KJ

1 lb equivale a 0,45359 kg



La cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de 1kg de agua 1º C es igual a 4,187 KJ.



El frío es un término comparativo utilizado para describir los niveles inferiores de temperatura. Puesto que el calor es un valor positivo en relación con la ausencia de ausencia de calor, el frío no es un valor real, sino una expresión de comparación.

El frío no tiene valores numéricos y la mayor parte de la gente lo usa simplemente como base de comparación.


3. Conducción

La transferencia de calor por conducción se explica como la transferencia de energía entre una molécula y otra. Por ej., si un extremo de una varilla de cobre se pone sobre el fuego, el otro extremo se vuelve demasiado caliente para poder agarrarlo (el calor viaja por al varilla de molécula en molécula.


3. Conducción

No todos los materiales conducen el calor a la misma velocidad.

El cobre, por ejemplo, conduce el calor a una velocidad distinta que el hierro. El vidrio es un conductor del calor muy malo.


3. Conducción

La superficie del coche y la cerca de madera están en realidad a la misma temperatura, pero el coche parece más frío porque el metal extrae por conducción el calor de la mano más rápidamente que la cerca de madera.


4. Convección

La transferencia de calor por convección se emplea para mover calor de un punto a otro.

Cuando se mueve el calor, éste es normalmente transferido a alguna sustancia que sea fácilmente desplazable, tal como el aire o el agua (muchos grandes edificios tienen una calefacción central en la que se calienta el agua y se la bombea a lo largo del edificio hasta el

espacio que hay que calentar).


4. Convección

Ejemplo de calor de convección (calefacción de un automóvil) : el calor producido por los procesos de combustión en el motor se transfiere por conducción al agua; después, el agua caliente procedente del motor pasa a través de una serpentín calefactor. El calor del agua se transfiere desde el agua hasta el aire a través del serpentín y, por convección, pasa al interior del vehículo gracias al ventilador de la calefacción (cuando se utiliza un ventilador o bomba para la convección del calor, el proceso se denomina convección forzada.


4. Convección

El motor genera calor que se transfiere al agua circulante por conducción. El agua circulante es bombeada a través del radiador situado dentro del coche (convección forzada). El aire

pasa a través del radiador donde absorbe el calor por conducción. El aire caliente es impulsado hacia el interior del coche por un ventilador.


4. Convección

Otro ejemplo de transferencia de calor por convección es el hecho de que el aire se eleva al ser calentado; esto se denomina convección natural.

Cuando el aire se calienta, se expande, y el aire caliente se vuelve menos denso (más ligero) que el aire no caliente que le rodea.


4. Convección

Este principio se aplica de muchas formas en la industria del aire acondicionado : los equipos instalados en la parte inferior del paramento (bajo los ventanales), hace que el aire situado cerca del suelo se caliente, éste se expande y se eleva, y es desplazado por el aire más frío próximo al calefactor, estableciéndose una corriente de convección natural en la habitación.


4. Convección


5. Radiación

La transferencia de calor por radiación resulta sencilla de explicar utilizando el ejemplo del sol como ejemplo de fuente calorífica : el sol está situado a unos 150 millones de km de

la superficie de la tierra, a pesar de ello, podemos notar su intensidad, la temperatura de la superficie del sol está

extremadamente caliente comparada con cualquier otra cosa que exista en la tierra,


5. Radiación

el calor transferido por radiación viaja a través del espacio sin calentar éste y es absorbido por los primeros objetos sólidos que encuentra,

la tierra no recibe el calor total del sol, porque el calor transferido por radiación disminuye según el cuadrado de la distancia recorrida.

En términos prácticos, esto quiere decir que, cada vez que se dobla la distancia, la intensidad de calor se divide por cuatro.


5. Radiación


6. Calor medible

El nivel de calor puede ser medido fácilmente cuando cambia la temperatura de una sustancia.

Este cambio en el nivel de calor puede ser medido por un termómetro.

Cuando un cierto cambio de temperatura puede ser registrado, podemos saber que el nivel de calor ha cambiado y lo denominamos calor medible.


7. Calor latente

El calor latente u oculto, resulta cuando en un proceso se sabe que se está añadiendo calor, pero no se experimenta un incremento de la temperatura.Ejemplo : cuando se añade calor al agua mientras

ésta está en ebullición dentro de un recipiente abierto. Una vez que el agua alcanza su punto de ebullición, el añadir más calor simplemente hace que se evapore más rápidamente; pero la temperatura no se eleva.


7. Calor latente

Gráfico de calor/temperatura. Un incremento del calor medible origina un incremento de la temperatura. Un incremento en el calor latente provoca un cambio de estado.


7. Calor latente

1. En el punto 1, donde da comienzo el ejemplo, el agua está en forma de hielo. El punto 1 no es el cero absoluto. Es -40 ºC y se emplea como punto inicial.

2. El calor añadido entre los puntos 1 y 2 es calor medible. Existe un incremento detectable de la temperatura. Observe que sólo se necesita 0,5 Kcal de calor para hacer que un 1 kg de hielo se incremente un 1º C.


7. Calor latente

3. Cuando se alcanza el punto 2, decimos que el hielo está saturado de calor. Esto quiere decir que, si se añade más calor, dicho calor será latente y fundirá el hielo sin incrementar la temperatura. La adición de 80 Kcal de calor transforma 1 kg de hielo en 1 kg de agua. Si se extrae parte del calor, el hielo se enfriará por debajo de los 0º C.


7. Calor latente

4. Cuando se alcanza el punto 3, la sustancia es ahora agua y decimos que se trata de un líquido saturado. El añadir más calor origina un aumento de la temperatura (calor medible). Si se extrae parte del calor en el punto 3, parte del agua volverá a transformarse en hielo. Este proceso se denomina extracción del calor latente, porque no hay cambio de temperatura.


7. Calor latente

5. El calor añadido entre los puntos 3 y 4 es calor medible; cuando se alcanza el punto 4, se habrán añadido 100 Kcal de calor :

1 Kcal/kg/ºC de cambio de temperatura.


7. Calor latente

6. El punto 4 representa otro punto de saturación. El agua está saturada de calor, hasta el punto de que la eliminación de parte de éste hace que el líquido se enfríe por debajo del punto de ebullición. El calor añadido es calor latente, que hace que el agua ebulla y comience a transformarse en vapor. El añadir 540 Kcal hace que 1 kg de líquido entre en ebullición hasta alcanzar el punto 5 y transformarse totalmente en vapor.


7. Calor latente

7. El punto 5 representa un nuevo punto de saturación. El agua está ahora en estado de vapor. El calor extraído sería calor latente, haría que parte del vapor volviera a transformarse en líquido; este proceso se denomina condensación del vapor. Todo calor añadido en el punto 5 es calor medible, que hace que la temperatura del vapor se incremente por encima del punto de ebullición, denominándose sobrecalor.


8. Calor específico

Las distintas sustancias responden de distinta forma al calor : cuando se añade 1 Kcal de energía calorífica a 1 kg de agua, la temperatura de ésta cambia 1 ºC, pero esto solo es cierto para el agua.

Cuando se calientan otras sustancias, los valores son diferentes.



Hemos visto que, al añadir 0,5 Kcal de energía calorífica al hielo o al vapor de agua daba lugar a un incremento de 1 ºC/kg en dichos estados.

En ambos estados, el agua se calienta a doble velocidad. El añadir 1 Kcal originaría un aumento de 2º C. Esta diferencia en el incremento de temperatura se denomina calor específico.



Se define pues como calor específico como, la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de 1 kg de sustancia 1 ºC.

Cada sustancia tiene un calor específico distinto.

El calor específico del agua es 1 Kcal/kg/ºC.



Tabla de calores específicos


9. Dimensionamiento de los equipos de calefacción

El calor específico es importante porque la cantidad de calor requerida para cambiar las temperaturas de distintas sustancias se emplea para dimensionar los equipos.



Ejemplo : si una empresa de fabricación necesita comprar un equipo calefactor para calentar el acero antes de poder emplear éste en un determinado proceso; es posible que, por ejemplo, el acero esté almacenado en una ambiente exterior frío a 0º C y que necesite un cierto precalentamiento antes de formar parte del proceso de fabricación.

La temperatura deseada es de 30º C



¿Cuánto calor debe añadirse al acero si la fábrica consume 1000 kg/h de este material?,

El acero entra en la fábrica a una velocidad fija de 1000 kg/h y será necesario añadir el calor correspondiente de modo continuo para poder mantener la producción,

El calor específico del acero es de

0,116 Kcal/kg/º C, esto quiere decir que hay que añadir 0,116 Kcal de energía calorífica a cada kilogramo de acero para incrementarlo en 1 ºC.



Q = Peso x calor específico x diferencia de temperatura,

donde Q = cantidad de calor necesaria

Q = 1000 Kg/h x 0,116 Kcal/kg/ºC x 30 ºC =

= 3.480 Kcal/h serán requeridos para calentar el acero antes de la fabricación.


10. Presión La presión se define como

fuerza por unidad de área. En el sistema británico se la expresa en libras por pulgada cuadrada (psi). Dicho de forma simple, cuando un peso de 1 lb descansa sobre un área de una pulgada cuadrada (1 in2), la presión ejercida hacia abajo es de 1 psi.

En el sistema métrico decimal, la presión se expresa en pascales.


10. Presión El agua pesa 1000 kg por m3;

un metro cúbico ejerce una presión hacia debajo de 1000 Kg/m2 cuanto tiene forma cúbica : ¿cuánto peso descansa sobre cada centímetro cuadrado? : si la parte inferior del cubo tiene un área de 10.000 cm2, sobre la que se reparte el peso, cada cm2 tendrá una presión total de 100 gr/ cm2.


11. Presión atmosférica

La sensación de estar bajo el agua y sentir su presión resulta familiar para muchas personas.

La atmósfera de la tierra es como un océano de aire, que también tiene peso y ejerce presión.

Puede considerarse la superficie de la tierra como si fuera el fondo de este océano de aire. Los distintos puntos tienen diferentes profundidades (la presión atmosférica es diferente entre una ciudad situada a nivel del mar, como La Coruña y otra situada en la montaña, como Ronda).



La atmósfera en la que vivimos también tiene un peso, como el agua, aunque bastante inferior; en realidad, la atmósfera de la tierra ejerce una presión de 760 mm Hg al nivel del mar, cuando la temperatura ambiental es de 20 ºC (éstas son condiciones estándar).

La presión atmosférica puede medirse con un instrumento denominado barómetro.



Si en el ensayo realizado con el barómetro lo llevamos a una mayor altitud, la columna de mercurio empezará a descender.



Si se coloca el barómetro en una campana de cristal cerrada y se extrae el aire, la columna de mercurio caera hasta igualarse con el nivel del tanque de la parte inferior.



Por tanto, la presión atmosférica es igual al peso de una columna de mercurio (Hg) de 760 mm de longitud.

La expresión “pulgadas o milímetros de mercurio” puede por tanto indicar la presión y ser convertida a Kg/cm2 o lb/in2. En realidad, la presión suele medirse en pascales o kilopascales (kPa). El factor de conversión es 1 mm Hg = 0,1332 kPa. Esto quiere decir que la atmósfera ejerce una presión aproximada de 100 kPa.



Otro tipo de barómetro es el denominado aneroide, que resulta más práctico de transportar. La presión atmosférica necesita ser medida en muchos lugares, por lo que hubo que desarrollar otros instrumentos distintos del barómetro de mercurio para las medidas de campo.

El barómetro ANEROIDE utiliza un fuelle cerrado que se expande y se contrae como respuesta a los cambios en la

presión atmosférica


12. Manómetros

Medir presiones en un sistema cerrado requiere un método diferente : el tubo Bourdon : está acoplado a una aguja y puede medir presiones por debajo y por encima de la presión atmosférica.


12. Manómetros

Una herramienta común utilizada en la industria de la refrigeración para tomar medidas de campo o en el taller es una combinación de un manómetro de baja presión y otro de alta presión.


12. Manómetros

El manómetro de la izquierda se denomina manómetro compuesto, porque permite medir presiones por encima y por debajo de la atmosférica. El manómetro de la derecha mide presiones de hasta 500 psi y de denomina de alta presión.


12. Manómetros

Estos manómetros están diseñados para medir presiones manométricas, para convertir una medida de 50 psig a presión absoluta, es necesario sumar la presión atmosférica de 14,686 psi a la lectura. Redondeando : 50 psig + 15 = 65 psia.


13. Conversión de temperatura : Fahrenheit y Celsius En ocasiones, puede ser necesario

convertir determinadas temperaturas de Celsius a Fahrenheit, o la inversa : esta conversión se puede realizar utilizando la tabla de conversión de temperaturas entregada, o mediante una fórmula.


13. Conversión de temperatura : Fahrenheit y Celsius Utilización de fórmulas :

ºC = (ºF – 32º) / 1,8

ºF = 1,8 (ºC) + 32º


14. Medida de la presión en el sistema métrico

En el sistema métrico, la unidad actual estándar de medida de presión es el newton por metro cuadrado (N/m2).

En el sistema inglés se expresa en libras por pulgadas cuadradas (psi).



Para hacer más fácil la comparación entre libras por pulgada cuadrada y los newton por metro cuadrado, la unidad N/m2 ha recibido el nombre de pascal (en honor del científico y matemático Blaise

Pascal).



La unidad métrica estándar de presión es el kilopascal (kPa), que equivale a 1.000 pascal.

1 psi es igual a 6.890 pascales, o 6,89 kPa.

Para convertir psi a kPa, multiplicar simplemente el número de psi por 6,89.


RESUMENa) La temperatura se mide con termómetros.

Existen cuatro escalas de temperatura, que son Fahrenheit, Celsius, Fahrenheit absoluta (Rankine) y Celsius absoluta (Kelvin).

b) Las moléculas de la materia están en movimiento constante. Cuanto más alta es la temperatura, más rápido se mueven.

c) La caloría describe la cantidad de calor de una sustancia. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para incrementar la temperatura de 1 g de agua 1º C.


RESUMENd) La transferencia de calor por conducción es

el trasvase de calor de una molécula a otra. A medida que las moléculas de una sustancia se mueven más rápido y con mayor energía, hacen que otras moléculas próximas hagan lo mismo.

e) La transferencia de calor por convección es el movimiento de calor en un fluido (en estado de vapor o líquido) desde un punto a otro. Esto puede hacerse por convección natural, donde el líquido o el aire calientes se elevan de forma natural, o por convección forzada, donde el líquido o el aire se mueven mediante una bomba o ventilador.


RESUMENf) El calor radiante es una forma de energía

transmitida a través de un medio, como el aire, sin calentar éste. Los objetos sólidos absorben la energía, se calientan y transfieren el calor al aire.

g) Las diferencias de temperatura del calor medible pueden ser determinadas mediante un termómetro.

h) El calor latente (u oculto) es el calor añadido a una sustancia que origina un cambio de estado y no se refleja en un termómetro. Por ej., el calor añadido para fundir el hielo en agua.


RESUMENi) El calor específico es la cantidad de calor

(medida en Kcal) requerida para incrementar la temperatura de 1 kg de una sustancia 1º C. Las distintas sustancias tienen diferentes calores específicos.

j) La presión es la fuerza aplicada por unidad de área. La atmósfera que rodea a la tierra tiene un cierto peso y por lo tanto ejerce presión. Dicho peso o presión es mayor a nivel del mar (100 kPa o 760 mm Hg a 20 ºC) que a mayores altitudes.


RESUMENk) Los barómetros miden la presión

atmosférica en mm de mercurio. Dos tipos de barómetros comúnmente empleados son el de mercurio y el barómetro aneroide.

l) Los manómetros han sido desarrollados para medir presiones en sistemas cerrados. Dos tipos comunes de manómetro utilizados en la industria del aire acondicionado, de la calefacción y de la refrigeración son el manómetro compuesto y el manómetro de alta presión. El manómetro compuesto mide presiones tanto por encima como por debajo de la presión atmosférica.


RESUMENm) La unidad métrica kilopascal (kPa) se utiliza

para indicar la presión en los campos de refrigeración y aire acondicionado.

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