Frigoriferi, condizionatori e pompe di calore

Frigoriferi, condizionatori d'aria e pompe di calore sono dispositivi che trasferiscono calore da un ambiente freddo a uno caldo, perciò funzionano in modo inverso alle macchine termiche. Tutti e tre, per svolgere il loro compito, hanno bisogno di energia elettrica.

II frigorifero

Il frigorifero rimuove il calore dal suo interno (a bassa temperatura) e lo porta nell'ambiente circostante che si trova a temperatura più alta. Perciò, il frigorifero raffredda gli alimenti e nello stesso tempo riscalda la cucina. A parità di lavoro compiuto dal compressore, maggiore è la quantità di calore rimosso, migliore è l'efficienza del frigorifero. L'efficienza è misurata dal coefficiente di resa, rapporto tra il calore rimosso e il lavoro necessario per rimuoverlo. In genere il coefficiente di resa si indica con la sigla COP.

Valori tipici del COP sono compresi fra 2 e 6.
Per esempio, se un frigorifero usa 100 J (Joule) di energia elettrica per rimuovere 200 J di calore, ha un coefficiente di resa:

Durante il funzionamento, il motore del compressore spinge un gas ad alta pressione lungo una serpentina che sta sulla parte posteriore del frigorifero. Il gas nella serpentina si raffredda e diventa liquido cedendo calore all'ambiente esterno. Il liquido passa nei tubi interni del frigorifero; evapora a bassa pressione e quindi assorbe calore all'interno del frigorifero che si raffredda. Il fluido ritorna al compressore e il ciclo ricomincia.

II condizionatore d'aria

Il condizionatore d'aria serve per raffreddare un ambiente d'estate. Il funzionamento è simile a quello del frigorifero: sottrae calore dall'interno di una stanza e lo riversa all'esterno a una temperatura più alta. Le caratteristiche costruttive del condizionatore sono diverse da quelle del frigorifero. Una parte del condizionatore deve essere tenuto fuori della stanza da raffreddare: sono i motori che a volte vediamo appesi sulle facciate degli edifici o sui balconi.
Per il calcolo del coefficiente di resa si utilizzano le stesse formule del frigorifero.

La pompa di calore

La pompa di calore, invece, è un dispositivo capace di riscaldare un ambiente prelevando calore dall'esterno (a bassa temperatura) e portandolo in un locale a più alta temperatura. Per fare questo deve compiere un lavoro L, come si può vedere nella figura più sotto. Il principio di funzionamento è simile a quello del condizionatore, ma poiché l'obiettivo è quello di riscaldare invece di raffreddare un locale, i serbatoi interno ed esterno sono invertiti. Il coefficiente di resa è quindi definito in modo diverso da quello del frigorifero e del condizionatore:

Per esempio, una pompa di calore che fornisce 3000 J di calore ad una stanza, facendo un lavoro di 750 J, ha un coefficiente COP = 4.
In genere, le pompe di calore si possono invertire e usare come condizionatori d'estate.

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