Frigoriferi, condizionatori d’aria e pompe di calore
Nella quotidianità, ci circondiamo di una serie di elettrodomestici e dispositivi che, anche se non sempre ci rendiamo conto, sono strettamente legati ai principi della termodinamica. Questa branca della fisica, che studia il trasferimento e la trasformazione dell’energia, in particolare sotto forma di calore e lavoro, ha avuto un impatto profondo su come viviamo, lavoriamo e ci rilassiamo. Frigoriferi, pompe di calore e condizionatori sono esempi di come la termodinamica si manifesta nel mondo reale, offrendoci comfort. Ma come funzionano esattamente questi dispositivi e in che modo la termodinamica ne guida le operazioni?
Il frigorifero è un dispositivo familiare nella maggior parte delle case. Il suo scopo principale è conservare il cibo a temperature basse per rallentarne la decomposizione; funziona trasferendo il calore dall’interno alla parte esterna, mantenendo così l’interno freddo. Le pompe di calore, d’altro canto, sono dispositivi progettati per spostare il calore da una sorgente a una destinazione, solitamente da un ambiente esterno a uno interno. Possono essere utilizzato sia per riscaldare che per raffreddare gli ambienti, a seconda delle necessità. Infine, i condizionatori hanno la funzione di raffreddare l’aria in un ambiente interno, ma al contrario dei frigoriferi, sono specificamente progettati per il comfort umano, regolando non solo la temperatura, ma anche l’umidità.
Ognuno di questi dispositivi opera secondo i principi della termodinamica, sfruttando le leggi fondamentali del calore e dell’energia per fornire i servizi che tanto apprezziamo. In questo articolo, esploreremo in dettaglio come la termodinamica influisce sul funzionamento di questi apparecchi e come, attraverso la scienza e l’ingegneria, siamo stati in grado di manipolare le leggi della natura a nostro favore.
Il frigorifero e i principi della termodinamica
Il frigorifero è una macchina termica che ormai tutti possiedono in casa.
Esso è in grado di trasformare l’energia meccanica proveniente da una precedente trasformazione dell’energia elettrica, al fine di raffreddare maggiormente la sorgente fredda, con il conseguente innalzamento della temperatura della sorgente calda.
Sembra strano ma nonostante questo, il secondo principio della termodinamica non viene meno in quanto, per permettere al calore di seguire un percorso inverso, viene compiuto lavoro da un motore.
Ovviamente è necessario che un frigorifero sia il più efficiente possibile, ovvero deve essere in grado di rimuovere una grande quantità di calore con un lavoro sufficientemente esigue; per tale ragione è stato determinato il coefficiente di prestazione di un frigorifero, che rappresenta un indicatore della sua efficienza ed è una grandezza adimensionale:
£$C_f = \frac{Q_f}{W}$£
I valori tipici del coefficiente vanno da 2 a 6.
Il condizionatore d’aria:
Il condizionatore d’aria è sostanzialmente un frigorifero dove la sorgente fredda è l’ambiente che deve essere raffreddato. Più precisamente esso sfrutta l’energia elettrica per “prelevare" calore dallo spazio e riversarlo nell’ambiente esterno.
Anche in questo caso:
£$Q_c = Q_f + W$£
E il coefficiente di prestazione di un condizionatore d’aria risulta:
£$C_f = \frac{Q_f}{W}$£
Pompe di calore
Le pompe di calore possono essere considerate come dei condizionatori con le sorgenti invertite: le prime prendono calore dall’aria esterna e la riversano nell’ambiente interno (da riscaldare); gli ultimi, invece, prendono calore dall’aria interna (da raffreddare) e la riversano nell’ambiente esterno.
Esattamente come accadeva per i frigoriferi e per i condizionatori d’aria, anche per le pompe di calore è possibile scrivere la seguente formula:
£$Q_c = Q_f + W$£
Una macchina simile, per essere efficiente, deve riuscire a prelevare la maggior quantità di calore possibile con il minor lavoro; per tale ragione, anche in questo caso è stato determinato un suo coefficiente di prestazione, i cui valori tipici, che dipendono dalla temperatura delle due sorgenti, oscillano tra 3 e 4:
£$C_p = \frac{Q_c}{W}$£