Come funziona un frigorifero?
Qual è il principio di funzionamento di un frigorifero?
Il frigorifero è il nome comune di una macchina termodinamica progettata con l'intento di sottrarre calore ad un determinato ambiente, con lo scopo di refrigerarlo facendone abbassare la temperatura.
Il calore sottratto viene riversato in un altro serbatoio la cui temperatura invece aumenta.
Le macchine frigorifere funzionano secondo il ciclo di Carnot però percorso all'inverso in senso antiorario: in questo caso infatti il sistema subisce lavoro dall'esterno (L<0) con l'obiettivo di sottrarre calore ad un ambiente.
La macchina di Carnot invece funziona proprio al contrario cioè al sistema viene fornito calore che viene convertito in parte in lavoro.
Funzionamento di un frigorifero e ciclo frigorifero
Il lavoro viene fornito solitamente al sistema tramite una compressione adiabatica dell'aeriforme che compone il frigorifero, solitamente un gas speciale chiamato freon.
Fino agli anni '70 il freon ed altri gas della categoria dei CFC (clorofluorocarburi) erano i gas utilizzati per la realizzazione di macchine frigorifere.
Ma con la scoperta che questi gas erano potenzialmente nocivi per l'ozono, con il risultato di creare un buco della fascia di ozono letale per gli esseri umani, si è passato ad altri composti similari ma molto meno dannosi per l'ambiente.
Teoricamente sarebbe pure possibile utilizzare l'acqua come fluido refrigerante, risultante economico, non tossico né esplosivo, ma nella pratica non si utilizza.
La compressione del ciclo frigorifero è realizzata mediante un compressore elettrico. A seguito della compressione adiabatica si ha una variazione positiva dell'energia interna.
Ricordando infatti il primo principio della termodinamica ΔU = Q – L essendo Q = 0 per una adiabatica si ottiene:
ΔU = -L
Trattandosi di una compressione, il segno del lavoro è negativo per cui ΔU risulta positivo. Essendo l'energia interna del gas una funzione di stato dipendente esclusivamente dalla sua temperatura si assiste dunque ad un surriscaldamento del gas stesso.
Il gas surriscaldato si trasforma a causa dell'alta pressione cui è sottoposto in liquido e questo viene fatto circolare lungo una serpentina (condensatore) in cui il liquido cede calore all'ambiente e si raffredda.
A questo punto il fluido viene fatto espandere adiabaticamente e a tale espansione corrisponde una variazione negativa dell'energia interna con il risultato di raffreddarlo ulteriormente.
Facendo circolare il fluido nell'ambiente che si vuole raffreddare, il fluido continua a sottrarne calore ottenendo così la refrigerazione desiderata.
Infine il fluido viene riportato alle condizioni iniziali tramite un processo isobarico in cui inizia il ciclo nuovamente.
Per cui il ciclo frigorifero si può schematizzare secondo lo schema sopra: viene fornito lavoro dall'esterno alla macchina (compressore elettrico), viene sottratta una certa quantità di calore Qass dall'interno del frigorifero che si trova a temperatura T1 e viene riversata una certa quantità di calore Qced all'ambiente esterno che si trova a temperatura T2 con T1 < T2.
La quantità di calore ceduta all'ambiente esterno rappresenta la somma del calore prelevato più il lavoro speso per compiere il ciclo:
Qced = L + Qass
Ecco lo schema di funzionamento di un frigorifero:
Funzionamento di un frigorifero.
Come si vede nello schema il compressore comprime il gas fino a farlo liquefare; successivamente questo scorre nel condensatore, la serpentina di colore arancione in figura, in cui cede calore all'ambiente esterno raffreddandosi per poi ritornare allo stato di vapore nella serpentina di colore azzurro che si trova a diretto contatto con l'ambiente interno del frigo.
È proprio durante questa fase che il gas sottrae calore all'ambiente interno al frigorifero con il risultato di raffreddarlo.
Ritornando verso il compressore il ciclo ricomincia da capo.
Coefficiente di prestazione di un frigorifero
Così come si parla di rendimento per una macchina di Carnot, per un frigorifero parliamo di coefficiente di prestazione COP (dall'inglese Coefficient Of Perfomance) definito come il rapporto tra il calore sottratto all'ambiente da refrigerare (di segno negativo) ed il lavoro subito (negativo anch'esso):
COP = Qass / L
Si può dimostrare che il COP è pari a:
COP = T1 / (T2-T1)
in cui T1 è la temperatura assoluta più bassa mentre T2 quella più alta e rappresenta in questo caso il limite superiore del rendimento di una macchina frigorifera ideale.
Il COP è un numero puro e solitamente assume valori compresi tra 2 e 6. Più è alto il valore del COP più la macchina frigorifera risulta efficiente.
Esercizio #1
Una macchina frigorifera presenta un COP di 3,4 e sottrae 6,7 kJ di calore al secondo dall'ambiente interno.
Quanto lavoro bisogna fornire al sistema frigorifero per ottenere questo risultato?
Lo svolgimento dell'esercizio lo trovi qui: esercizio sul COP.
Esercizio #2
Qual è il COP massimo raggiungibile da una macchina frigorifera che opera tra le temperature di 0°C e 27°C?
Lo svolgimento dell'esercizio lo trovi qui: calcolo del coefficiente di prestazione di un frigorifero.
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