La termodinamica descrive l'azione del calore e di altri tipi di energia e la relazione tra di essi. È un argomento che a prima vista sembra un po' scoraggiante. Tuttavia, se si comprende la teoria della termodinamica nei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC), si sarà in grado di capire immediatamente come e perché i sistemi funzionano e come si applicano al meglio.
6 nozioni di base sul trasferimento di calore
Per comprendere i principi della termodinamica dobbiamo prima comprendere sei concetti relativi al calore e al trasferimento di calore.
1) Freddo significa assenza di calore. Per rendere freddo qualcosa, si toglie calore.
2) Calore e temperatura sono cose diverse:
- Il calore è il flusso di energia da un oggetto, sistema o luogo a un altro.
- La temperatura misura l'energia cinetica interna di un oggetto.
3) Il calore si sposta naturalmente da una zona calda a una più fredda.
4) Il calore si muove in tre modi.
- La conduzione è il trasferimento di calore da un oggetto a un altro attraverso il contatto diretto.
- La convezione è il trasferimento di calore da un oggetto all'ambiente, attraverso un gas o un liquido, da una temperatura elevata a una bassa.
- L'irraggiamento è il trasferimento di calore attraverso le radiazioni elettromagnetiche.
5) Si parla di cambiamento di fase quando qualcosa passa da uno stato all'altro, ad esempio il ghiaccio (solido) si scioglie in acqua (liquido) che può evaporare in vapore (gas).
6) Maggiore è la differenza di temperatura tra due mezzi, più veloce è il trasferimento di calore.
Le leggi della termodinamica
La buona notizia è che non è necessaria una laurea in scienze per capire come funzionano i sistemi HVAC. Le leggi della termodinamica sono in tutto quattro: la prima, la seconda e la terza legge. La legge zerotica è stata l'ultima ad essere scoperta, ma è alla base delle altre tre leggi, da cui il nome e l'ordine di precedenza.
Mentre la prima e la terza legge sono facili da capire, la seconda e la terza si riferiscono a qualcosa chiamato entropia, che è la misura del disordine di un sistema. Sebbene tutto ciò sembri molto complesso, l'entropia è una misura della dispersione dell'energia. L'energia è utile quando è concentrata, ma quando si disperde, non è utile. Ad esempio, se bruciamo un tronco, l'energia concentrata nel tronco viene rilasciata nell'aria circostante. Quell'energia è ancora lì (nell'atmosfera), ma ora non è più utile.
La legge zerotica della termodinamica
Cosa dice: La legge zerotica afferma che se due sistemi termodinamici sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora sono in equilibrio termico tra loro.
Cosa significa: Se due oggetti hanno la stessa temperatura, non si scambiano calore.
Esempio: Gli alimenti e le bevande in un frigorifero avranno la stessa temperatura dell'aria nel frigorifero. Tutti sono in equilibrio termico e non c'è trasferimento di calore tra le sostanze.
Prima legge della termodinamica
Cosa dice: La prima legge afferma che l'energia non può essere né creata né distrutta.
Cosa significa: Conosciuta anche come legge della conservazione dell'energia, spiega che l'energia può solo essere trasferita o cambiata da una forma all'altra.
Esempio: Un forno elettrico converte l'elettricità in energia termica. 100 unità di energia elettrica si trasformano in 100 unità di energia termica per cuocere il cibo.
Seconda legge della termodinamica
Cosa dice: La seconda legge afferma che l'entropia di qualsiasi sistema isolato aumenterà sempre nel tempo.
Cosa significa: L'energia si diffonde sempre. Il calore si sposterà sempre da una zona più calda a una più fredda, ma non fluirà spontaneamente da una zona fredda a una calda.
Esempio: Nel momento in cui si toglie dal forno un piatto appena cotto, questo perde calore. Il calore si sposta dal cibo caldo al piatto più freddo e all'aria più fredda che lo circonda.
Terza legge della termodinamica
Cosa dice: Quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto*, l'entropia di un sistema si avvicina a un minimo costante.
Cosa significa: Quando si raggiunge lo zero assoluto, non rimane energia termica. Il calore non può trasferirsi a un'altra sostanza e non c'è energia da distribuire. Anche l'entropia raggiunge quindi il punto zero.
Esempio: Le molecole del vapore si muovono rapidamente e l'entropia è elevata. Se il vapore si raffredda al di sotto dei 100°C, subisce un cambiamento di fase da gas ad acqua liquida. L'acqua ha un movimento minore di molecole rispetto al vapore e una minore entropia. Raffreddando l'acqua al di sotto di 0oC, essa subisce un altro cambiamento di fase, passando da liquido a ghiaccio solido. Il movimento delle molecole diminuisce ulteriormente, così come l'entropia. Se questo ghiaccio viene raffreddato fino allo zero assoluto, anche l'entropia diventerà zero.
*0o Kelvin, -273,15oC o -459,67oF.
Abbiamo imparato che:
- I diversi tipi di energia possono essere convertiti l'uno nell'altro.
- Il calore si sposta naturalmente da un'area calda a una più fredda, ma se gli oggetti hanno la stessa temperatura non si trasferisce calore.
- La quantità di energia utile che una sostanza perde è influenzata dalla temperatura.
Utilizzando questi principi nel ciclo termodinamico, il movimento del calore può essere controllato e utilizzato a nostro vantaggio.
Il refrigerante e il ciclo termodinamico
Il refrigerante è una sostanza estremamente utile. Ha un basso punto di ebollizione e può essere facilmente manipolato per assorbire e rilasciare calore. Quando si aumenta la pressione sul refrigerante, aumentano anche la sua temperatura e la sua attività cinetica interna. Quando si riduce la pressione sul refrigerante, la sua temperatura e la sua energia cinetica interna diminuiscono.
Nei sistemi HVAC, il refrigerante circola attraverso componenti che ne modificano non solo la pressione e la temperatura, ma anche lo stato fisico. Il refrigerante passa da liquido a gas e viceversa, assorbendo e rilasciando calore.
La termodinamica nei refrigeratori e nei sistemi a pompa di calore
Il ciclo termodinamico dei refrigeratori e delle pompe di calore è esattamente lo stesso. Il ciclo può essere utilizzato per il riscaldamento o il raffreddamento, utilizzando un ciclo a compressione di vapore. In un sistema semplice, è costituito da quattro componenti principali:
Compressore: Il compressore è il cuore del sistema e guida l'intero processo di refrigerazione. Il gas refrigerante a bassa pressione (vapore saturo) entra nel compressore e viene compresso in un gas riscaldato ad alta pressione (vapore surriscaldato). Questo gas refrigerante caldo fluisce quindi verso il successivo elemento del sistema, il condensatore.
Condensatore: il condensatore è uno scambiatore di calore che cambia anche lo stato del refrigerante da gas a liquido. Nel condensatore, il vapore surriscaldato viene condensato in un liquido ad alta pressione (liquido saturo), quando scambia il calore indesiderato attraverso l'acqua o l'aria. Questo cambiamento di stato libera il calore latente e sub-raffredda il refrigerante.
Nel processo di raffreddamento di un sistema di refrigerazione, il condensatore funge da scambiatore di calore per rilasciare il calore indesiderato nell'atmosfera attraverso l'aria o l'acqua.
Nel processo di riscaldamento di un sistema a pompa di calore, questo calore viene scambiato per essere utilizzato nei circuiti di riscaldamento e di acqua calda dell'edificio.
Valvola di espansione: Il refrigerante liquido ad alta pressione passa attraverso una valvola di espansione. Questa riduce la pressione e di conseguenza la temperatura, ottenendo un liquido refrigerante fresco e a bassa pressione.
Evaporatore: Il refrigerante liquido freddo a bassa pressione entra nell'evaporatore. Come il condensatore, anche l'evaporatore è uno scambiatore di calore che avvia un cambiamento di stato nel refrigerante. Il refrigerante assorbe calore dall'aria o dall'acqua, che lo fa bollire ed evaporare in un gas a bassa pressione (vapore saturo). Questo cambiamento di stato assorbe calore, lasciando l'aria o l'acqua raffreddate.
Il gas a bassa pressione passa dall'evaporatore al compressore e il ciclo ricomincia.
Nel processo di raffreddamento di un sistema di refrigerazione, il calore viene scambiato tra il refrigerante nell'evaporatore e i circuiti di raffreddamento (circuito dell'acqua refrigerata).
Nel processo di riscaldamento di un sistema a pompa di calore, il calore viene scambiato tra il refrigerante e l'aria o l'acqua dell'ambiente.
Si spera che ora abbiate una migliore comprensione della termodinamica delle pompe di calore e dei sistemi di raffreddamento. Ma prima di andare avanti c'è un'altra cosa che dovreste sapere: come scegliere il prodotto HVAC migliore per le vostre esigenze.
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