Frigoriferi

 

Frigorifero: dispositivo a funzionamento ciclico composto da: (Fig. 1)

un insieme di sorgenti di calore ad alta temperatura, Ti,
un insieme di sorgenti a più bassa temperatura, Ti
un fluido operatore, detto anche sostanza termodinamica, S.

 

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Fig. 1

Il calore, QF, viene estratto, grazie al lavoro esterno, dalle sorgenti a temperatura più bassa  per essere ceduto al fluido di lavoro, e da questo alle sorgenti più calde. Al termine di ciascun processo ciclico il fluido ritorna nelle condizioni iniziali, per cui la sua variazione di energia interna D U è nulla.

Per il primo principio della termodinamica

L = Q + DU

dove L è il lavoro eseguito sul fluido in un ciclo e Q rappresenta il calore scambiato in un ciclo al termine di ciascun ciclo; la variazione di energia interna DU del fluido è nulla,per cui L = Q. Considerando i segni del lavoro e del calore scambiati dal fluido, indicando con:

lavoro eseguito sul fluido in un ciclo: -½L½
Calore assorbito in un ciclo dalle sorgenti fredde : +½QF½
Calore ceduto in un ciclo alle sorgenti calde : - ½QC½

si ha:

L = Q      Þ    -½L½= - ½QC½+½QF½

da cui si ricava:

½L½= ½QC½-½QF½


Fig. 1 Schema di principio di un frigorifero (L, QC, QF rappresentano i valori assoluti del lavoro e dei calori scambiati in un ciascun ciclo)

Coefficiente di prestazione

L'efficienza di una qualsiasi azione viene valutata confrontando il risultato conseguito al costo dell'azione:

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Il risultato termodinamico che si consegue con un frigorifero consiste nel trasferimento di calore, QC, dalle sorgenti fredde a quelle calde. Il costo di funzionamento è dato dal lavoro fornito dall’esterno, L. Si definisce efficienza di un frigorifero, detta anche coefficiente di prestazione  (COP),  il rapporto fra il modulo del calore asportato dalle sorgenti fredde sul modulo del lavoro eseguito dall'esterno.

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Il coefficiente di prestazione, a differenza del rendimento termico può assumere anche valori maggiori di 1.

In Fig. 2 è riportato lo schema di principio di un frigorifero utilizzante due sole sorgenti.

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Fig. 2 Schema di un frigorifero utilizzante due sole sorgenti di calore (L, QC, QF rappresentano i valori assoluti del lavoro e dei calori scambiati in ciascun ciclo).

Un esempio di frigorifero a due sorgento è il frigorifero di Carnot (Si tratta di un frigorifero ideale, all'epoca Carnot non poteva possedere alcun frigorifero!)

Principio di funzionamento di un frigorifero