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Innanzi tutto desidero esprimere la mia gratitudine per il servizio che date, socialmente utile e totalmente gratuito è una vera gemma nel mondo web. La mia domanda è la seguente: in una vostra risposta si parla delle pompe di calore come macchine in grado di rendere + energia che quella elettricamente assorbita,questo grazie al fatto che gran parte dell'energia in uscita è firnita gratuitamente dall'energia termica ambientale. Da qui mi chiedo: visto che in ambiente esterno c'è tanta energia termica gratuita sotto forma di calore, accumulata ovunque (atmosfera,mare,ecc..)perchè non assorbire questa energia trasformandola, magari in elettricita', togliere qualche grado a milioni di litri di aria ambiente non è solo ecologico ma anche ambientalmente utile, assorbendo almeno parte del calore che continuiamo ad aggiungere al mondo tramite combustione o effetti serra. Sono convinto che questo sia possibile, nessuna legge fisica lo impedisce (almeno credo). Vorrei che mi aiutaste a capire se le mie convinzioni sono sensate (ormai non ci dormo la notte),e se esiste qualche macchina che utilizzi un sistema simile (graditi link interessanti). So che sarete esaurienti e precisi come sempre, Grazie. (Risponde Mino Saccone) Il primo principio della termodinamica sancisce l'equivalenza tra l'energia termica (calore) e l'energia meccanica e quindi elettrica eccetera... Il secondo principio della termodinamica afferma che, mentre è possibile (anzi inevitabile) trasformare interamente in calore le altre forme di energia, la trasformazione opposta e' soggetta a limitazioni. In particolare non e' possibile trasformare per esempio in lavoro meccanico il calore sottratto a una sorgente a una certa temperatura, perche' bisogna contemporaneamente cederne una fetta a un pozzo a temperatura piu' bassa. Chi ha visitato una centrale termoelettrica avra' visto gli enormi condensatori che scaldano l'acqua di un fiume o addirittura quella del mare. Nessuno ha voglia di scaldare ne' l'una ne' l'altra, ma, non c'e' niente da fare, il secondo principio vuole cosi'. Il secondo principio della termodinamica puo' essere formulato in molti modi che si dimostrano essere tra loro equivalenti. I due piu' classici sono: a) Non e' possibile una trasformazione il cui
unico effetto sia quello di trasferire calore da una sorgente a un pozzo a temperatura
maggiore Il rendimento termodinamico massimo teorico deducibile da questo principio e': 1) eta = (T1 - T2) / T1 (le temperature ovviamente assolute cioe' in gradi Kelvin o Rankine) dove T1 e' la temperatura (alta) della sorgente da cui si estrae il calore e T2 e' la temperatura del pozzo nel quale si riversa il calore che non e' possibile trasformare in lavoro. Questo rendimento e' quello di un ciclo che scambia calore solo alle temperature indicate quindi un ciclo formato da due isoterme alternate a due adiabatiche. Questo ciclo ideale, poco pratico da realizzare, ma molto utile per la teoria, si chiama ciclo di Carnot. Tutti gli altri cicli tra le stesse temperature estreme avranno rendimenti inferiori ad esso.Tutto cio' premesso, ragioniamo con i soli cicli di Carnot reversibili perche' sono facili da usare. Sappiamo poi che in realta' le cose potranno solo andare peggio. Se un ciclo termodinamico "ruota" nei soliti diagrammi (p-v o T-S) in senso orario sottrarra' calore dalla sorgente a temperatura alta, cedera' una parte di esso sotto forma di lavoro meccanico e restituira' la parte che resta al pozzo a temperatura bassa. Questo e' il ciclo classico delle macchine termiche. Se un ciclo termodinamico "ruota" nei soliti diagrammi (p-v o T-S) in senso antiorario sottrarra' calore dalla sorgente a temperatura bassa, assorbira' lavoro meccanico e restituira' la somma dei due al pozzo a temperatura alta. Questo e' il ciclo classico delle macchine frigorifere o delle pompe di calore. La distinzione tra macchina frigorifera e pompa di calore e' solo in termini di convenienza umana. Del frigorifero "ci interessa" il freddo prodotto e disperdiamo il calore generato nell'ambiente senza preoccuparcene. Della pompa di calore "ci interessa" il calore prodotto e non quello sottratto p. es. al mare, al fiume o all'acqua di falda. Le due macchine sono pero', termodinamicamente parlando, indistinguibili. Forti di quanto sopra veniamo ora alla domanda specifica e facciamo un'esempio: Una pompa di calore ideale (ciclo di Carnot) che pompa calore sottraendolo dall'acqua del mare che, per semplicita', immagineremo a 300 K per cederlo aumentato del lavoro meccanico speso a un pozzo a 450 K. Per la 1) appena rimaneggiata, supposto 1000 J il lavoro speso: 2000 J saranno sottratti al mare 3000 joule saranno riversati nel pozzo a 450 K Immaginiamo ora di volerli sfruttare per scaldare la casa o qualsiasi altra cosa. Con 1000 joule meccanici/elettrici abbiamo prodotto 3000 J termici. Quindi la pompa di calore e' molto vantaggiosa rispetto alla stufetta elettrica che avrebbe erogato semplicemente 1000 J. Questo spiega perche' le pompe di calore, anche se timidamente, stanno diffondendosi sopratutto nei paesi freddi in quanto, con la loro efficienza, alla lunga, ripagano dei maggiori costi di impianto. Se invece volessimo sfruttare i 3000 J cosi' prodotti per riottenere lavoro meccanico possibilmente maggiore di quello speso, avremmo fatto un brutto affare. Infatti, se aggiungiamo il ciclo inverso che usa i 3000 J e dopo averne estratto un po' in lavoro meccanico riversa cio' che resta in mare il rendimento sara': (450 - 300) / 450 = 1/3 per cui da 3000 J termici ricaveremmo 1000 J meccanici, esattamente quelli spesi nel primo ciclo. In altre parole in quanto esposto, ideale senza perdite, non avremmo guadagnato nulla. Se poi consideriamo le perdite e la non "idealita'" capiremmo di aver perso molto di piu'. Ora, si possono fare mille esempi diversi da quello sopra che e' stato scelto solo per amore di semplicita', si possono variare temperature, tipi di trasformazione, quantita' di cammini del ciclo e chi piu' ne ha piu' ne metta, sempre l'inesorabile secondo principio si impone e il risultato e' che non si puo' guadagnare energia ordinata (meccanica/elettrica etc...) a spese di quella disordinata (calore) piu' di quanto consentito dalla formuletta sopra riportata, la 1).
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