TUTORIAL
TERMODINAMICA
Le regole invisibili che governano ogni impianto
QUANDO UNA POMPA DI CALORE RISCALDA UN’ ABITAZIONE O UNA CALDAIA PRODUCE ACQUA CALDA PER IL RISCALDAMENTO ENTRANO IN GIOCO LE STESSE LEGGI FISICHE. SONO I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA, REGOLE UNIVERSALI CHE DESCRIVONO COME L’ ENERGIA VIENE TRASFORMATA, TRASFERITA E UTILIZZATA. QUESTI PRINCIPI HANNO CONSEGUENZE MOLTO CONCRETE PER CHI PROGETTA, INSTALLA O UTILIZZA IMPIANTI TERMICI
TERMODINAMICA
Tre principi che nessun impianto può“ aggirare”
Qualunque impianto di riscaldamento, climatizzazione o refrigerazione è soggetto ai tre principi della termodinamica. Il primo principio stabilisce che l’ energia non si crea e non si distrugge: una caldaia, una pompa di calore o un pannello solare possono soltanto trasformare o trasferire energia proveniente da una fonte. Il secondo principio afferma che il calore fluisce spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo; per invertire questo flusso, come avviene nelle pompe di calore e nei frigoriferi, è necessario fornire energia al sistema. Lo stesso principio spiega perché ogni processo presenta inevitabilmente delle perdite e perché il rendimento perfetto non esiste. Il terzo principio introduce infine il concetto di zero assoluto, una temperatura limite che non può essere raggiunta nella pratica. Per questo motivo il raffreddamento diventa sempre più difficile ed energivoro man mano che si scende verso temperature estremamente basse. Insieme, queste tre leggi definiscono i limiti e le possibilità di tutte le tecnologie termiche oggi disponibili.
PRIMO PRINCIPIO: L’ ENERGIA SI CONSERVA( BILANCIO ENERGETICO)
Il primo principio della termodinamica afferma che l’ energia totale si conserva: non viene creata dal nulla né distrutta, ma può trasformarsi da una forma a un’ altra. In termodinamica dei sistemi chiusi questo si esprime comunemente con il bilancio dell’ energia interna:
ΔU = Q − W
Che cos’ è l’ entropia?
È un concetto che può sembrare ostico, ma non si può non parlarne essendo collegato al secondo e al terzo principio. In modo semplificato, può essere considerata una misura della tendenza naturale dell’ energia a distribuirsi e a diventare meno disponibile per compiere lavoro utile. Un esempio quotidiano aiuta a comprenderne il significato. Se una stanza viene riscaldata da un radiatore, il calore si diffonde progressivamente fino a raggiungere una temperatura uniforme nell’ ambiente. Il processo avviene spontaneamente in una sola direzione: dal corpo più caldo verso quelli più freddi( l’ inverso non accade mai senza un apporto di energia esterna).
( variazione di energia interna = calore entrato − lavoro svolto dal sistema), ricordando che le convenzioni di segno possono variare col contesto. Negli impianti termici questo concetto è fondamentale. Una caldaia non“ crea” calore: trasforma l’ energia chimica del combustibile in energia termica; una resistenza elettrica converte energia elettrica in calore; un collettore solare termico sfrutta l’ e- nergia della radiazione solare. Quando si valuta la prestazione di un impianto conviene distinguere tra energia totale e energia utile disponibile( exergia), cioè la parte effettivamente convertibile in lavoro o in servizio utile. Il primo principio è alla base di tutti i bilanci energetici: analizzando un impianto è possibile contabilizzare quanta energia entra, quanta viene trasferita o immagazzinata e quanta viene dispersa. Questo è il presupposto necessario per misurare efficienze e perdite di generatori, reti di distribuzione e sistemi di accumulo.
SECONDO PRINCIPIO: DIREZIONE DEGLI SCAMBI DI CALORE E IRREVERSIBILITÀ
Se il primo principio stabilisce la conservazione dell’ energia, il secondo definisce la direzione naturale degli scambi e introduce il concetto di irreversibilità. In termini pratici, il calore tende spontaneamente a fluire da una zona più calda a una più fredda. Questo può essere enunciato in vari modi equivalenti, ad esempio enunciato di Clausius:“ Il calore non può passare spontaneamente da un corpo più freddo a uno più caldo”.
PROCESSO SPONTANEO Corpo caldo
Corpo freddo 40 ° C ───► Q ───► 10 ° C PROCESSO NON SPONTANEO Corpo freddo
Corpo caldo 10 ° C ───► Q ───► 40 ° C
L’ aumento dell’ entropia descrive proprio questa evoluzione naturale verso stati più uniformi e meno ordinati dal punto di vista energetico. Per questo motivo nessuna trasformazione energetica può essere perfettamente efficiente: una parte dell’ energia tende sempre a disperdersi e a perdere la capacità di essere completamente convertita in lavoro utile. Negli impianti termici l’ entropia aiuta a comprendere perché esistono dispersioni, perché i rendimenti reali sono sempre inferiori al 100 % e perché è necessario spendere energia per trasferire il calore da una sorgente fredda a una più calda, come avviene nelle pompe di calore e nei frigoriferi.
Questo principio spiega perché gli edifici disperdono calore durante l’ inverno e assorbono calore dall’ esterno durante l’ estate. Spiega anche l’ importanza dell’ isolamento termico, che non elimina gli scambi energetici ma ne riduce la velocità. A prima vista, appare sorprendente il funzionamento di una pompa di calore, capace di estrarre energia da una sorgente relativamente fredda e trasferirla a un ambiente più caldo. In realtà il secondo principio non viene affatto violato. Per invertire il flusso naturale del calore è necessario fornire energia al sistema, sotto forma di lavoro meccanico generato dal compressore e alimentato dall’ elettricità. Lo stesso principio governa il funzionamento di frigoriferi e condizionatori. In tutti questi casi l’ energia elettrica consente di trasferire il calore in una direzione che non avverrebbe spontaneamente. Il secondo principio introduce inoltre un altro concetto essenziale: nessun processo energetico può essere perfettamente efficiente. Una parte dell’ energia tende inevitabilmente a degradarsi, rendendo impossibile il raggiungimento del rendimento assoluto. È proprio questo limite fisico a spiegare perché ogni impianto presenti sempre delle perdite.
TERZO PRINCIPIO: LO ZERO ASSOLUTO E IL COMPORTAMENTO ALLE BASSE TEMPERATURE
Il terzo principio della termodinamica è forse il meno noto, ma non per questo meno importante. Esso afferma che esiste una temperatura minima teorica, chiamata zero assoluto( 0 K) che non può essere raggiunta mediante alcun processo reale. Dal punto di vista pratico, questo significa che raffreddare un materiale diventa progressivamente più difficile man mano che la sua temperatura diminuisce. Ogni ulteriore riduzione richiede quantità crescenti di energia e sistemi sempre più complessi. L’ esperienza quotidiana conferma questa realtà. Portare un ambiente da 20 ° C a 10 ° C è relativamente semplice; ottenere temperature di decine o centinaia di gradi sotto lo zero richiede invece apparecchiature specializzate e consumi energetici molto elevati.
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