Principi di termodinamica per comprendere il ciclo frigorifero (parte 1)

Come funziona il ciclo frigorifero? In questo articolo vengono illustrate le nozioni della fisica che forniscono una migliore comprensione di quello che succede all’interno di un circuito frigorifero. La crescita del mercato della refrigerazione fa sì che sempre più operatori si dedichino alle tecnologie di questo settore, ma è necessario conoscere i fenomeni termodinamici che stanno alla base del funzionamento delle macchine frigorifere.

Il funzionamento del ciclo frigorifero

Prima di entrare nel vivo del tema refrigerazione è utile ricordare alcune nozioni di fisica indispensabili per poi comprendere il corretto funzionamento del ciclo frigorifero. Cominciamo con il concetto di energia, cioè la capacità che ha un sistema di compiere lavoro. A sua volta il lavoro, come viene definito nella fisica classica, è la forza che viene applicata ad un corpo (oggetto) per spostarlo da un punto all’altro. L’energia è disponibile sotto diverse forme, come energia cinetica (quella che un oggetto possiede a causa del suo movimento), energia potenziale (quella che un oggetto possiede a causa della sua posizione, ad esempio un masso in montagna rispetto al fondo valle). Per l’obiettivo di questo articolo riveste particolare importanza l’energia termica che sinteticamente può essere definita come l’energia interna di un oggetto che si trovi a una temperatura superiore allo zero assoluto 0 K (-273,13°C). L’energia termica può essere scambiata tra due oggetti che si trovino a temperature diverse e fluisce da quello più caldo verso quello più freddo; in altri termini avviene uno scambio termico. Il flusso continua fino a quando i due oggetti non raggiungono la stessa temperatura. E come può essere definita la temperatura? In buona sostanza può essere definita come la misura del livello di “agitazione termica” delle molecole che costituiscono il corpo considerato (sia esso un liquido, un gas, un solido). È interessante notare che mentre esiste la temperatura minima, 0 K, sembra non esserci un limite per quella massima.

La trasmissione del calore

Per quanto detto fino a ora, possiamo dedurre che sia possibile trasferire una certa quantità di calore da un corpo all’ambiente circostante in due modi.

– In maniera naturale: a titolo di esempio diremo che un corpo dotato di una temperatura superiore a quella dell’ambiente circostante, scambierà naturalmente calore con esso raffreddandosi, mentre l’ambiente in cui è posto, ricevendo energia termica, si riscalderà.

– In maniera artificiale: se l’ambiente circostante si trovasse a una temperatura superiore a quella del corpo, e se volessimo far in modo che il corpo ceda energia termica (calore) all’ambiente circostante, allora dovremo spendere una certa quantità di energia.

Il caso appena citato, lo si può paragonare a dell’acqua che scende da una cascata: se volessimo farla tornare a monte, dovremmo spendere dell’energia installando, nella fattispecie, una pompa elettrica che riporti l’acqua al punto di origine. Per quanto detto possa apparire ovvio, affinché ciò possa accadere, è indispensabile spendere dell’energia che è di natura elettrica. Un ciclo frigorifero è paragonabile a questo secondo caso: si sottrae energia termica da un ambiente adiabatico (interno del frigorifero) e, con un certo dispendio di energia (di tipo elettrico), la si rilascia all’ambiente circostante che si trova a un livello termico superiore a quello dell’interno del frigorifero (nel caso del frigorifero di casa nostra, potrebbe essere la cucina).

Temperatura: la percezione del caldo e del freddo

I concetti di caldo e freddo sono paragonabili a quelli di luce e buio, nel senso che sono esperienze soggettive in quanto sono in funzione della nostra struttura biologica. Il nostro occhio percepisce la frequenza elettromagnetica all’interno di un intervallo ben definito (che chiamiamo luce), mentre al di fuori di questa banda di frequenza non vediamo nulla e lo chiamiamo buio. In effetti il buio, come fenomeno fisico, non esiste. In maniera similare, la sensazione di “caldo e freddo” dipende dalla nostra temperatura corporea; diciamo infatti che “fa caldo” quando il nostro corpo percepisce una temperatura superiore a quella del nostro metabolismo; al contrario diciamo che “fa freddo” quando si manifesta il fenomeno opposto, cioè quando l’ambiente circostante si trova ad una temperatura inferiore a quella del nostro corpo. Calore e temperatura sono concetti che a volte vengono confusi nell’uso comune, ma sono in realtà due grandezze fisiche ben distinte. Entrambe sono legate al moto di agitazione termica che anima gli atomi e le molecole della materia, in tutti i suoi stati di aggregazione; la temperatura di un corpo misura il grado di agitazione delle particelle che lo compongono, mentre il calore è una forma di energia che ha la tendenza a trasferirsi dai corpi a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore.

Il ciclo frigorifero come la pompa di calore

Nel ciclo frigorifero si esegue un processo inverso rispetto al normale fluire dell’energia termica dal corpo più caldo verso il corpo più freddo; per fare ciò, come già accennato, è necessario spendere energia. In sostanza il frigorifero si comporta come una pompa che prelevando dell’acqua dal punto più basso dell’alveo del fiume la riporta ad una quota maggiore. Similmente un frigorifero preleva del calore (energia termica) da un livello termico inferiore (interno del frigorifero) per portarla ad un livello termico superiore (ambiente in cui è posto il frigorifero). Quest’ultimo scambio di calore, genera un leggero innalzamento della temperatura della stanza che accoglie il frigorifero. In questo contesto tratteremo solamente le macchine frigorifere elettriche a compressione di vapori tralasciando quelle “ad assorbimento”, quelle “magnetiche”, quelle “acustiche” e altre forme di refrigerazione che non sono di uso corrente.

Evaporazione ed ebollizione

Se osserviamo un catino contenente pieno d’acqua il livello del liquido diminuisce a causa del fenomeno chiamato evaporazione, detto anche vaporizzazione. Se poniamo una pentola piena d’acqua sul fuoco dopo un certo tempo comincerà a bollire, facendo evaporare l’acqua in essa contenuta. In entrambi i casi abbiamo un’evaporazione del liquido ma i due fenomeni sono molto diversi. Durante la vaporizzazione, si assiste al passaggio di stato da liquido a aeriforme (gas o vapore) che coinvolge la sola superficie del liquido; invece alla temperatura di ebollizione avviene un processo che coinvolge l’intero volume del liquido dato che, durante l’ebollizione, tutta la quantità di acqua (non solo la superficie) è interessata alla transizione di fase da liquido a vapore. Il termine transizione di fase (o “passaggio di stato” o “cambiamento di stato” o “transizione di stato”) indica la trasformazione di un sistema termodinamico da uno stato di aggregazione ad un altro: la caratteristica distintiva di una transizione di fase è il cambiamento di una o più proprietà fisiche, in particolare la capacità termica, alla variazione di variabili termodinamiche come la temperatura.

Pressione e temperatura

Se varia la pressione, varia anche la temperatura di ebollizione: diminuisce se la pressione diminuisce e aumenta se la pressione aumenta. Prendiamo come esempio l’acqua che, come abbiamo detto, bolle a 100°C se la pressione è pari a 101325 Pa (pressione atmosferica); se però andiamo in montagna sappiamo che, salendo, la pressione diminuisce e se volessimo lessare del cibo a 4.000 metri di quota avremmo qualche problema dato che, a questa quota, la pressione atmosferica scende a 60.795Pa e la temperatura di ebollizione scende, di conseguenza, a 86°C, di conseguenza cuocendo del cibo a 86°C, avremo un tempo di cottura che si allunga notevolmente. Al contrario, l’acqua bolle ad una temperatura superiore se la pressione aumenta. Prendiamo come esempio la pentola a pressione: all’interno la pressione è mantenuta costante a 202650 Pa e in tale condizione l’acqua bolle a 120°C. Quanto detto è molto importante perché lo ritroveremo spesso quando parleremo del circuito frigorifero; inoltre il binomio temperatura / pressione è caratteristico di tutti i liquidi puri. Un liquido posto in una pentola a una certa temperatura bolle a una certa pressione; se, mentre bolle, dovessimo innalzare la pressione, il liquido potrebbe smettere di bollire. Se abbiamo un liquido posto in una pentola a una certa temperatura e ad una certa pressione che non bolle, abbassando la pressione, il liquido potrebbe cominciare a bollire. In entrambi i casi l’ebollizione avviene perché l’acqua assorbe calore dal fuoco, mentre con altri tipi di fluidi, può essere sufficiente assorbire calore dall’ambiente circostante.

Dal ghiaccio al vapore

I legami tra le molecole tendono a mantenerle fisse in determinate posizioni; tuttavia, tali legami tendono a rompersi sotto l’azione dell’energia termica. Quando si scalda un blocco di ghiaccio, il calore fornito va ad aumentare l’ampiezza delle oscillazioni molecolari, causando una parziale rottura dei legami: le molecole sono libere di scorrere le une sulle altre e macroscopicamente si entra nella fase liquida. Continuando a fornire calore, anche gli ultimi legami rimasti si spezzano e ogni molecola diventa libera di muoversi nello spazio: questa è la fase gassosa o fase di vapore.

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