Come spostare il calore con un gas
Facciamo un passo indietro un momento e guardiamo come si comportano i gas. Se hai mai gonfiato le gomme di una bicicletta, saprai che una pompa da bicicletta si scalda abbastanza. La ragione è che i gas si riscaldano quando li comprimi (schiacci). Per fare in modo che il pneumatico sostenga il peso della bicicletta e del tuo corpo, devi spremere l’aria ad alta pressione. Spremere rende l’aria (e la pompa che la attraversa) un po’ più calda. Perché? Mentre comprimi l’aria, devi lavorare molto con la pompa. L’energia che usi nel pompare è convertita in energia potenziale nel gas compresso: il gas nel pneumatico è ad una pressione più alta e ad una temperatura più alta dell’aria fredda intorno a te. Se comprimi un gas in metà del suo volume, l’energia termica che le sue molecole contengono riempie solo metà dello spazio, quindi la temperatura del gas aumenta (diventa più caldo).
Artwork: I gas diventano più caldi quando li comprimi in meno volume, perché devi lavorare per spingere le loro molecole energetiche più vicine. Per esempio, quando si gonfia una gomma di bicicletta, la pompa aspira l’aria e la comprime in meno spazio. Questo forza le sue molecole (bolle rosse) insieme e lo fa riscaldare.
Muovendo più calore cambiando i gas in liquidi e viceversa
Se hai una mente inventiva, puoi probabilmente immaginare di mettere insieme una specie di aggeggio simile a una pompa che gonfia una gomma da bicicletta in un posto e poi la sgonfia in un altro, il che sposterebbe il calore tra i due. È un’idea goffa, però, e non possiamo spostare molto calore in questo modo: avremmo bisogno di un sacco di gas, per esempio. Potremmo, tuttavia, spostare una quantità decente di calore lasciando che un gas si espanda e si contragga molto di più in modo che si trasformi in un liquido e poi di nuovo – in altre parole cambiandolo in un diverso stato della materia.
Come potrebbe funzionare? Guarda cosa succede con una bomboletta di aerosol, che contiene un liquido conservato sotto pressione. Quando ti spruzzi un aerosol sulla mano, probabilmente hai notato che sembra molto freddo. Questo è in parte perché una parte del liquido si raffredda e si vaporizza (si trasforma in un gas) quando lascia la bomboletta. Ma è anche perché una parte del liquido colpisce la tua pelle calda e si vaporizza a quel punto: si trasforma in un gas rubando il calore dal tuo corpo e questo fa sentire la tua pelle più fredda. Questo ci dice che permettere ai liquidi di espandersi e trasformarsi in gas è un modo molto efficace per rimuovere il calore dalle cose. Non è una grande sorpresa: è così che funziona la sudorazione e perché i cani tirano fuori la lingua per rinfrescarsi nelle giornate calde.
Foto: I liquidi possono trasformarsi in gas (e i gas si raffreddano) quando li si lascia espandere in più volume. Ecco perché gli spray per aerosol sono così freddi.
Anche se i solidi e i liquidi occupano più o meno la stessa quantità di spazio, i gas occupano molto più spazio di entrambi. Le molecole di un solido o di un liquido sono molto vicine tra loro e si attraggono con molta forza. Quando un liquido si trasforma in un gas, o vaporizza, alcune delle sue molecole più energetiche si separano e si staccano. Ci vuole molta energia per far sì che questo accada, che è noto come il calore latente di vaporizzazione, e quell’energia deve provenire dal liquido stesso o da qualcosa di vicino. In altre parole, cambiare un liquido in un gas è un modo per rimuovere l’energia da qualcosa, mentre cambiare un gas di nuovo in un liquido è un modo per rilasciare nuovamente quell’energia. Questo è essenzialmente il modo in cui i frigoriferi spostano il calore dal loro armadio di raffreddamento alla stanza esterna. Trasformano un liquido in un gas all’interno dell’armadietto di raffreddamento (per prelevare il calore dal cibo conservato), lo pompano all’esterno dell’armadietto e lo trasformano di nuovo in un liquido (per rilasciare il calore all’esterno).
Animazione: L’idea di base di ciò che a volte si chiama refrigerazione meccanica. All’interno di un frigorifero (1), trasformiamo un liquido in un gas per raccogliere il calore dall’interno dell’armadio frigorifero (2), lo pompiamo all’esterno della macchina, e poi lo trasformiamo di nuovo in un liquido per rilasciare il suo calore (3).
Il ciclo di riscaldamento e raffreddamento
Comprimendo i gas in liquidi, possiamo rilasciare calore; lasciando espandere i liquidi in gas, possiamo assorbire calore. Come possiamo usare questa pratica fisica per spostare il calore dall’interno di un frigorifero all’esterno? Supponiamo di fare un tubo che sia in parte all’interno di un frigorifero e in parte all’esterno, e che sia sigillato in modo che sia un anello continuo. E supponiamo di aver riempito il tubo con una sostanza chimica scelta con cura (una con un basso punto di ebollizione) che cambia facilmente avanti e indietro tra liquido e gas, che è conosciuta come il refrigerante o refrigerante. all’interno del frigorifero, potremmo fare il tubo diventare improvvisamente più largo, in modo che il refrigerante liquido si espanda in un gas e raffreddi l’armadio refrigerante mentre scorre attraverso di esso. All’esterno del frigorifero, potremmo avere qualcosa come una pompa di bicicletta per comprimere il gas, rilasciare il suo calore e trasformarlo di nuovo in un liquido. Se la sostanza chimica scorreva intorno al ciclo, espandendosi quando era dentro il frigorifero e comprimendosi quando era fuori, avrebbe costantemente raccolto il calore dall’interno e l’avrebbe portato all’esterno come un nastro trasportatore di calore. In questo modo, potremmo spostare costantemente il calore da un luogo freddo (all’interno del frigorifero) a uno più caldo (all’esterno), cosa che non è qualcosa che le leggi della fisica permettono di fare automaticamente (lasciato a se stesso, il calore scorre dalle cose più calde a quelle più fredde).
E, sorpresa sorpresa, questo è quasi esattamente come funziona un frigorifero. Ci sono alcuni dettagli extra che vale la pena notare. All’interno del frigorifero, il tubo si espande attraverso un ugello noto come valvola di espansione (più tecnicamente, è quello che si chiama un orifizio fisso). Quando il liquido refrigerante passa attraverso di essa, si raffredda drammaticamente e si trasforma in parte in un gas. Questo pezzo di scienza è talvolta conosciuto come effetto Joule-Thomson (o Joule-Kelvin) per i fisici che lo scoprirono, James Prescott Joule (1818-1889) e William Thomson (Lord Kelvin, 1824-1907). Non sarai sorpreso di scoprire che il compressore fuori dal frigorifero non è veramente una pompa da bicicletta! In realtà è una pompa elettrica. È ciò che fa ronzare un frigorifero ogni tanto. Il compressore è collegato a un dispositivo simile a una griglia chiamato condensatore (una specie di sottile radiatore dietro il frigorifero) che espelle il calore indesiderato.
Foto: L’aria umida all’interno del frigorifero contiene vapore acqueo. Quando il frigorifero si raffredda, quest’acqua si trasforma in ghiaccio. La parte più fredda del tuo frigorifero è la ghiacciaia in alto. Questo perché la valvola di espansione è posta proprio accanto ad essa.
Foto: Ecco il compressore di un tipico frigorifero. Nota i tubi che portano il refrigerante da una parte e dall’altra. Non si può vedere questa unità a meno che non si allontani l’apparecchio dal muro, perché è nascosta sul retro e sul fondo. Vedi altre foto nel riquadro qui sotto.