Frigoriferi e pompe di calore: la macchina termica al contrario

Un frigorifero e una pompa di calore sono macchine termiche che funzionano al contrario: invece di produrre lavoro a partire dal calore, usano lavoro per spostare calore da un ambiente freddo a uno caldo. È il modo in cui si raffreddano i cibi e si riscaldano le case in modo efficiente. Il loro «rendimento», però, si misura in modo diverso, con un coefficiente che può essere maggiore di uno.

Vediamo come funziona una macchina frigorifera, che cos’è il coefficiente di prestazione, perché può superare uno e che cosa lega questi dispositivi al secondo principio della termodinamica.

Una macchina termica all’incontrario

In una macchina termica il calore fluisce spontaneamente dal caldo al freddo e se ne ricava lavoro. In un frigorifero o in una pompa di calore il verso è invertito: si fornisce lavoro dall’esterno per costringere il calore a fluire dal freddo al caldo, cioè nella direzione opposta a quella spontanea. È lo stesso ciclo di una macchina termica, percorso al contrario: si spende lavoro per spostare calore «in salita».

Frigorifero o pompa di calore?

La differenza tra i due sta in quale effetto interessa. In un frigorifero lo scopo è raffreddare: ciò che conta è il calore estratto dall’ambiente freddo (l’interno del frigo). In una pompa di calore lo scopo è riscaldare: ciò che conta è il calore ceduto all’ambiente caldo (la casa). Il dispositivo è essenzialmente lo stesso, ma cambia quale dei due flussi di calore si vuole sfruttare. Un condizionatore, ad esempio, può fare entrambe le cose invertendo il funzionamento.

COP  =  calore spostatolavoro speso  (può essere > 1)

Il coefficiente di prestazione

L’efficienza di queste macchine non si misura con il rendimento, ma con il coefficiente di prestazione (spesso indicato con la sigla COP). È il rapporto tra il calore spostato e il lavoro speso per spostarlo. La cosa interessante è che questo coefficiente può essere maggiore di uno: si può spostare più calore di quanto lavoro si spenda, perché il lavoro non «crea» il calore, ma si limita a pomparlo da un ambiente all’altro. È il motivo per cui le pompe di calore sono così efficienti per riscaldare.

Il legame con il secondo principio

Anche queste macchine sono governate dal secondo principio, nella formulazione di Clausius: il calore non passa spontaneamente da un corpo freddo a uno caldo. Per farlo accadere serve sempre un apporto di lavoro dall’esterno: non esiste il frigorifero che funziona «da solo». Anche il coefficiente di prestazione ha un tetto massimo, fissato dalle temperature dei due ambienti, analogo al limite di Carnot per le macchine termiche: più vicine sono le due temperature, più alto può essere il coefficiente.

Perché le pompe di calore convengono

Il fatto che il coefficiente di prestazione possa essere maggiore di uno spiega l’interesse crescente per le pompe di calore nel riscaldamento: per ogni unità di energia elettrica spesa, ne possono trasferire diverse unità sotto forma di calore prelevato dall’ambiente esterno. Rispetto a un riscaldamento che converte direttamente energia in calore, questo le rende molto più efficienti, ed è uno dei motivi per cui hanno un ruolo importante nelle strategie di efficienza energetica.

Quadro d’insieme

Frigoriferi e pompe di calore sono macchine termiche percorse al contrario: usano lavoro per spostare calore dal freddo al caldo. La loro efficienza si misura con il coefficiente di prestazione, che può superare uno perché il lavoro pompa il calore invece di crearlo. Il secondo principio, nella forma di Clausius, impone che senza lavoro questo trasferimento non avvenga.

Domande frequenti

Come funziona un frigorifero dal punto di vista termodinamico?

Funziona come una macchina termica percorsa al contrario: invece di ricavare lavoro dal calore, usa lavoro fornito dall’esterno per spostare calore da un ambiente freddo, l’interno del frigorifero, a uno più caldo, l’ambiente circostante. In questo modo costringe il calore a fluire nella direzione opposta a quella spontanea. È lo stesso ciclo di una macchina termica, percorso in senso inverso, con il lavoro che «pompa» il calore in salita.

Qual è la differenza tra frigorifero e pompa di calore?

Il dispositivo è essenzialmente lo stesso, ma cambia l’effetto che interessa. In un frigorifero lo scopo è raffreddare, quindi conta il calore estratto dall’ambiente freddo. In una pompa di calore lo scopo è riscaldare, quindi conta il calore ceduto all’ambiente caldo. Un condizionatore può svolgere entrambe le funzioni invertendo il funzionamento, raffreddando d’estate e riscaldando d’inverno con lo stesso principio di base.

Che cos’è il coefficiente di prestazione?

È la misura dell’efficienza di un frigorifero o di una pompa di calore, definita come il rapporto tra il calore spostato e il lavoro speso per spostarlo. Si usa al posto del rendimento perché queste macchine non producono lavoro, ma lo consumano per trasferire calore. A differenza del rendimento di una macchina termica, il coefficiente di prestazione può essere maggiore di uno, poiché il lavoro serve a pompare il calore, non a generarlo.

Perché il coefficiente di prestazione può superare uno?

Perché il lavoro fornito non crea il calore, ma si limita a spostarlo da un ambiente all’altro. La maggior parte del calore ceduto all’ambiente caldo proviene infatti dall’ambiente freddo, non dal lavoro speso. Per questo si può trasferire più calore di quanto lavoro si consumi, e il coefficiente risulta maggiore di uno. Non c’è alcuna violazione della conservazione dell’energia, perché il calore in più è prelevato dall’esterno.

Che cosa dice il secondo principio su queste macchine?

Nella formulazione di Clausius, il secondo principio afferma che il calore non passa spontaneamente da un corpo freddo a uno caldo. Per realizzare questo trasferimento serve sempre un apporto di lavoro dall’esterno: non può esistere un frigorifero che funziona da solo. Inoltre il coefficiente di prestazione ha un valore massimo, fissato dalle temperature dei due ambienti, analogo al limite di Carnot valido per le macchine termiche.