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Sottosezioni

• • 3.4.0.1 Hardware del frigorifero

Il ciclo di Carnot è stato usato per la potenza, ma possiamo anche eseguirlo al contrario. Se è così, ora c’è lavoro netto nel sistema e calore netto in uscita dal sistema. Ci sarà una quantità di calore respinta alla temperatura superiore e una quantità di calore assorbita alla temperatura inferiore. Il primo di questi è negativo secondo la nostra convenzione e il secondo è positivo. Il risultato è che viene fatto del lavoro sul sistema, il calore viene estratto da una fonte a bassa temperatura e respinto verso una fonte ad alta temperatura. Le parole “bassa” e “alta” sono relative e la fonte di bassa temperatura potrebbe essere un’aula affollata in una giornata calda, con l’estrazione di calore usata per raffreddare la stanza. Il ciclo e i trasferimenti di calore e lavoro sono indicati nella figura 3.6. In questa modalità di funzionamento il ciclo funziona come un frigorifero o una pompa di calore. “Quello che paghiamo” è il lavoro, e “quello che otteniamo” è la quantità di calore estratto. L’ametrica per i dispositivi di questo tipo è il coefficiente di rendimento, definito come

Figura 3.6:Funzionamento di un frigorifero di Carnot

Per un ciclo di Carnot conosciamo i rapporti tra calore in entrata e calore in uscita quando il ciclo viene eseguito in avanti e, poiché il ciclo è reversibile, i rapporti sono gli stessi quando il ciclo viene eseguito al contrario. Il coefficiente di rendimento è quindi dato in termini di temperature assolute come

Questo può essere molto più grande dell’unità.

I cicli di Carnot che sono stati disegnati sono basati sul comportamento ideale del gas. Per diversi mezzi di lavoro, tuttavia, avranno un aspetto diverso. Vedremo un esempio quando discuteremo delle situazioni a due fasi. Ciò che è lo stesso qualunque sia il mezzo è l’efficienza per tutti i cicli di Carnot che operano tra le stesse due temperature.

3.4.0.1 Hardware del frigorifero

Tipo il sistema termodinamico nell’analisi di un frigorifero sarà un fluido di lavoro, un refrigerante, che circola intorno ad un anello, come mostrato nella figura 3.7. L’energia interna (e la temperatura) del refrigerante viene alternativamente alzata e abbassata dai dispositivi nel circuito. Il fluido di lavoro è più freddo dell’aria del frigorifero in un punto e più caldo dell’ambiente circostante in un altro punto. Così il calore fluirà nella direzione appropriata, come mostrato dalle due frecce negli scambiatori di calore.

Figura 3.7:Schema di un frigorifero domestico

Partendo dall’angolo in alto a destra del diagramma, descriviamo il processo più in dettaglio. Prima il refrigerante passa attraverso una piccola turbina o attraverso una valvola di espansione. In questi dispositivi, il lavoro è fatto dal refrigerante in modo che la sua energia interna sia abbassata ad un punto in cui la temperatura del refrigerante è inferiore a quella dell’aria nel frigorifero. Uno scambiatore di calore è usato per trasferire energia dall’interno del frigorifero al refrigerante freddo, abbassando così l’energia interna dell’interno e alzando l’energia interna del refrigerante. Poi una pompa o un compressore viene utilizzato per fare lavoro sul refrigerante, aggiungendo ulteriore energia ad esso e quindi aumentando ulteriormente la sua energia interna. L’energia elettrica viene utilizzata per azionare la pompa o il compressore. L’energia interna del refrigerante viene aumentata fino al punto in cui la sua temperatura è più calda di quella dell’ambiente circostante. Il refrigerante è poi passato attraverso uno scambiatore di calore (spesso bobine sul retro del frigorifero) in modo che l’energia sia trasferita dal refrigerante all’ambiente circostante. Come risultato, l’energia interna del refrigerante si riduce e l’energia interna dell’ambiente circostante aumenta. È a questo punto che l’energia interna dei contenuti del frigorifero e l’energia usata per azionare il compressore o la pompa sono trasferiti all’ambiente. Il refrigerante continua poi verso la turbina o la valvola di espansione, ripetendo il ciclo.

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