Qual è il principio del funzionamento di frigoriferi e congelatori? (Paolo)
Prima, però, di saltare alle conclusioni, facciamo un passo indietro: cos’è un frigorifero? È una macchina per trasferire calore, come dice la parola stessa che è una combinazione del sostantivo latino frigor (freddo) e del verbo fero (io porto). Quello che l’etimologia non spiega, è che il trasferimento di calore che si vuole ottenere deve andare in direzione opposta rispetto a quanto spontaneamente avverrebbe in natura, e cioè si vuole sottrarre calore da un corpo più freddo (l’aria contenuta nella cella frigorifera) per cederlo ad uno più caldo (l’aria ambiente). È proprio qui che interviene il fisico tedesco Rudolf Clausius
, che già a metà dell‘800 stabilì che “una trasformazione il cui UNICO risultato sia trasferire calore da un corpo avente una data temperatura verso un corpo a temperatura più alta, è im-pos-si-bi-le”. Questa enunciazione (che è uno dei modi per esprimere il Secondo Principio della Termodinamica), afferma inequivocabilmente che senza immettere una qualche forma di energia nel “sistema frigorifero” non otterremo mai lo scopo che ci prefiggiamo, da cui la necessità di pagare una bolletta per questa energia, come ricordavamo all’inizio. L’enunciato di Clausius e quello collegato di Lord Kelvin trovano una spiegazione nella meccanica classica (statistica) grazie al lavoro di Maxwell, Boltzman e Gibbs, e quindi possiamo stare tranquilli che le cose funzionino proprio così, e dobbiamo rassegnarci a pagare il dovuto.
Sgombrato il campo da ogni illusione di poter avere a piacimento bevande fredde gratis (per lo stesso ottimo motivo per cui non conviene ricercare il moto perpetuo: per non perdere tempo perpetuamente), resta il problema di costruirlo, il frigorifero. I pezzi che servono sono fondamentalmente due: un contenitore che isoli termicamente i due ambienti esterno/interno, per limitare la quantità di calore che fluisce spontaneamente in senso contrario a quello voluto, e un apparato che assorba energia dall’esterno in cambio del lavoro di “sollevamento” del calore da un livello più basso (di temperatura) ad uno più alto. Qui bisogna ingegnarsi, ed è per questo che ci sono gli ingegneri. L’idea di base è quella di utilizzare un fluido avente un determinato “stato” iniziale (esprimibile in Pressione, Volume e Temperatura - PVT), di far subire ad esso una serie di “trasformazioni” (cioè di cambiamenti di stato PVT) in modo tale da eseguire un “ciclo”, tornando cioè alla condizione (stato) iniziale, così che il processo possa ripetersi, appunto, “ciclicamente”. Il ciclo di Carnot descrive nel piano PV un ciclo reversibile composto da due trasformazioni adiabatiche, che non scambiano calore, e da due isoterme, a temperatura costante: trasforma in lavoro parte del calore di una sorgente a temperatura “alta” T2 trasferendo la rimanenza alla sorgente “fredda“ T1. Oppure, eseguendo le trasformazioni in ordine inverso, assorbe lavoro per spostare calore da una sorgente “fredda” T1 ad una “calda” T2, realizzando quindi un frigorifero, almeno in teoria. I cicli usati in applicazioni pratiche sono necessariamente diversi da un ciclo ideale; uno dei più usati è il ciclo a compressione.Il fluido utilizzato, che spesso è derivato da idrocarburi (Freon, nome commerciale per una varietà di composti) oppure ammoniaca, o anche anidride carbonica o altro, è inizialmente gassoso. Passa attraverso un compressore mosso da un motore (generalmente elettrico) e cambia il suo stato aumentando pressione e temperatura (per un gas perfetto varrebbe PV=nRT, con R=costante e n=numero di moli, quindi attraversa una serpentina di raffreddamento (il “condensatore”, la griglia esterna nella parte posteriore del frigo, quella che “si scalda”), che sottrae al fluido parte del suo calore e lo trasferisce all’ambiente esterno, che è proprio l’effetto che si vuole ottenere. A questo punto, all’uscita dal condensatore il fluido (ora divenuto liquido, da cui il nome “condensatore”) passa in un serbatoio. All’uscita di questo serbatoio c’è una valvola, comandata dal termostato installato all’interno del frigo, che permette a una quantità controllata di liquido di passare attraverso l’evaporatore, la serpentina che è nella parete interna del frigo, dove cambia nuovamente di stato tornando a quello iniziale di vapore. È proprio durante questo cambiamento di stato da liquido a vapore che avviene il trasferimento di calore dalla camera interna del frigo al fluido stesso: adesso il ciclo può ricominciare, e il calore assorbito dal fluido verrà trasferito all’esterno attraverso il condensatore, come visto in precedenza.
Pierre Fournier, ingegnere
ultimo aggiornamento agosto 2017