Dissipare il calore

Scaldare e raffreddare

Abbiamo detto che gli scambi di energia hanno la tendenza naturale a raggiungere situazioni di equilibrio. Ovvero, un corpo caldo in contatto con uno freddo, passerà a questo energia termica fino a che esiste una differenza energetica, ciò fine ad avere la stessa temperatura.  Quindi è possibile abbassare la temperatura di un oggetto fino a quella dell' ambiente che lo circonda (o del mezzo che raffredda). Un corpo freddo portato in una stanza a 30°C dopo un tempo sufficiente avrà raggiunto la temperatura di 30°C, pari a quella di tutti gli altri oggetti nella stanza che non siano generatori di calore.

Ci sono altri punti che dobbiamo tenere presente: 

• quanto maggiore è la differenza di calore, tanto più efficiente sarà la sua trasmissione. 

Lo scambio di calore tra due corpi a contatto sarà via via meno efficiente con l' equilibrarsi delle temperature. Possiamo ancora ricorrere al paragone con il circuito elettrico: la differenza di potenziale (differenza di temperatura) è quella che stabilisce l' intensità della corrente (passaggio di calore), a parità di resistenza: più tensione (differenza di temperatura), più corrente (passaggio di calore); meno tensione (meno differenza di temperatura), meno flusso di corrente (calore).

Osservando la poderosa alettatura di un motore motociclistico, abbiamo una ulteriore informazione: 

• maggiore è la superficie su cui avviene lo scambio del calore, maggiore sarà la quantità di calore che sarà scambiato. 

Un oggetto con una superficie piccola avrà maggiori difficoltà a smaltire calore rispetto ad uno con una superficie più ampia. Per curiosità, a pari volume, una sfera è la forma che ha la superficie minore in rapporto al volume e quindi limita al massimo lo scambio di calore con l' ambiente.

Pompe di calore

E' possibile portare la temperatura dell' oggetto al di sotto della temperatura ambientale ? 
Si, ma sarà necessario applicare una "pompa" di calore, ovvero un qualche dispositivo che sottragga calore, creando un punto più freddo della temperatura ambiente. Esempio comune di questi dispositivi sono tutti i sistemi frigoriferi. 

Siccome dovrebbe essere chiaro che:

• raffreddare vuol, dire sottrarre calore
   
• il calore sottratto non viene fatto sparire, ma solo "spostato"

per sottrarre calore ad un corpo a temperatura ambiente occorre che la "pompa di calore" risucchi l' energia termica del corpo; questo richiede che la pompa sia ad una temperatura più bassa di quella a cui si vuole giungere e questo si ottiene mettendo a disposizione dell' energia.

Un sistema frigorifero funziona utilizzando energia elettrica in un sistema che comprime un fluido, la cui successiva espansione sottrae calore dal corpo a cui la serpentina di espansione è collegata. Il calore sottratto al corpo è stato assorbito dal fluido in espansione e, all' uscita del sistema di raffreddamento, mi troverò a dover smaltire questo calore sottratto, più quello prodotto dalla pompa stessa, che consuma energia per funzionare ed ha rendimento inferiore a 1.

Quindi, raffreddare un corpo al di sotto della temperatura ambiente richiede di impegnare energia tanto maggiore quanto maggiore è la massa da raffreddare (il calore specifico da rimuovere) e quanto più grande è la differenza di temperatura che si vuole ottenere.

Molto importante comprende la differenza tra un passaggio di calore tra un punto caldo ed uno freddo dovuto al gradiente di temperatura generato dal punto caldo e il raffreddamento dovuto ad una pompa di calore.
Se pensiamo ad un oggetto caldo, il calore viene asportato dal flusso di aria che lo lambisce; maggiore sarà il flusso, maggiore sarà la quantità di calore spostato. 
In questo caso cosa muove il calore? E' la differenza di temperatura tra il corpo caldo che genera il calore e l' aria più fredda che lo acquisisce. Ovvero il "motore" dello scambio termico è l' energia del punto caldo. 
Se forziamo il movimento dell' aria con una ventola, miglioriamo lo scambio termico. Usiamo certamente energia per azionare la ventola, ma questa energia serve esclusivamente a migliorare lo scambio di calore tra aria e ambiente, aumentando nell' unità di tempo la massa di aria che acquisisce calore. In ogni caso, l' aria deve avere temperatura minore del corpo da raffreddare: se usiamo aria più calda, più ne spingiamo, più scaldiamo il corpo invece di raffreddarlo.  Altrettanto se usiamo al posto dell' aria un altro fluido, come ad esempio l' acqua come nel motore dell' automobile. Anche qui il generatore dello scambio termico è il motore a combustione che produce calore; l' acqua è solo un mezzo che trasporta il calore al radiatore.
In tutti e due i casi il corpo caldo non può assumere una temperatura inferiore a quella del fluido di raffreddamento, in quanto è il corpo che genera energia termica, ovvero ha energia in eccesso e può solo passarla ad un altro corpo che ne ha un livello inferiore.

Nel caso della  pompa di calore la situazione è diversa: essa "assorbe" il calore grazie al fatto che, in qualche modo, si è fatta assumere alla pompa una temperatura minore di quella dell' ambiente.
Questo vuol dire che si è asportato in anticipo calore dalla pompa, ovvero si è spesa energia in questa operazione.
Il calore fluisce sempre dal corpo caldo perchè la sua temperatura è maggiore di quella della pompa, ma il vero motore del passaggio termico è l' energia fornita alla pompa per abbassarne la temperatura.
Si può dire che presenta una resistenza termica negativa, ma a spese di una certa quantità di energia che deve ricevere dall' esterno.

Il fluido usato nella pompa potrà assumere temperature minori o molto minori di quella ambiente. Se la sua possibilità di assorbire calore è maggiore della potenza generata nel punto caldo diventa possibile abbassarne la temperatura al di sotto di quella ambiente: se tutta la potenza prodotta in calore viene "aspirata" dalla pompa più velocemente di quanto il punto caldo la genera, la sua temperatura scende a meno di quella ambiente, dato che la pompa assorbe anche il calore che l' ambiente passa al corpo.
In questo senso, per ottenere un rendimento accettabile, occorre che il punto raffreddato sia quanto più possibile isolato termicamente dall' ambiente; nella bottiglia di Dewar (thermos) c'è il vuoto e nelle pareti del frigorifero si trova un isolante. 

Il problema principale delle pompe di calore, a parte la più o meno grande complessità della loro realizzazione, è quello di richiedere una energia pari a quella che devono spostare e che va aumentata del rendimento del loro funzionamento. Sfortunatamente questo rendimento è solitamente piuttosto basso. Ad esempio, le celle di Peltier, che sono pompe di calore azionate dall' energia elettrica, permettono notevoli risultati sul lato freddo della cella, ma ad un costo energetico sensibile, dato che il loro rendimento è solo del 2-5%.
Altrettanto si può dire dei circuiti frigoriferi e criogenici. Per ogni caloria rimossa dal corpo caldo, all' ambiente ne vengono rese di più e viene consumata energia per mantenere attiva la pompa.

Il fatto che le pompe di calore non siano energeticamente e ambientalmente convenienti non toglie che esse vengano usate, dato che ci sono circostanze in cui abbiamo necessità di ottenere una temperatura più bassa di quella ambiente (frigorifero, condizionatore) oppure occorre raffreddare un oggetto in un volume limitato, tanto che l' applicazione di una altro metodo di raffreddamento non è adeguato (diodi laser, CPU, ecc).