Si può raffreddare una stanza lasciando il frigorifero aperto?

Siamo giunti a settembre e, nonostante l’estate sia ufficialmente conclusa, il caldo persiste. Momenti passati ad imprecare, simulare rituali satanici e/o danze della pioggia per placare queste temperature… il tutto inutilmente. Non c’era altra soluzione: posizionarsi accanto ad un ventilatore, accenderlo a velocità massima e piangere su tutti i libri della sessione estiva.

Mio caro Billy, noi studenti in realtà siamo geni del male; la nostra disperazione era così tangibile che un ventilatore non bastava a soddisfarci: si correva in cucina ad aprire lo sportello del frigorifero e si stava là, di fronte, a riflettere su tutti i mali che affliggono il cosmo.

Ed è proprio lì che, mentre scrutavo inerte il numero di birre rimaste, mi chiesi:

È possibile rinfrescare la stanza lasciando aperto il frigorifero?

Il frigorifero è una macchina termica: un dispositivo in grado di attuare trasformazioni cicliche.
Compie un lavoro negativo, cioè assorbe energia (tipicamente elettrica) dall’esterno; grazie a questa energia assorbe calore da una zona a temperatura minore (l’interno del frigo) e lo trasferisce poi in un’altra zona a temperatura maggiore (l’ambiente esterno).

Il funzionamento del frigorifero, come quello di qualsiasi altra macchina termica, è rappresentato da una trasformazione ciclica nel diagramma pressione-volume, ma, mentre nei motori la trasformazione avviene in senso orario, in questo caso è percorsa in senso antiorario.

Questo dettaglio è molto importante: permette al sistema di assorbire calore dalla sorgente fredda e di cederlo alla sorgente calda. Come accennato, il lavoro totale W compiuto dalla macchina frigorifera è un ciclo negativo.

Sembra complesso ma non lo è: il tutto si riassume dicendo che il frigorifero non può funzionare se dall’esterno non viene compiuto un lavoro positivo W su di esso.

Tan tan tan taaan.

È arrivata Billy, non potevo aspettare ulteriormente.

La parte della fisica che studia le leggi con cui i sistemi scambiano (cedono e ricevono) energia con l’ambiente è detta Termodinamica.

Nel caso specifico:

la variazione dell’energia interna ΔU deve essere uguale al calore assorbito Q (energia in ingresso) meno il lavoro compiuto W (energia in uscita)

ΔU = Q - W

Questa espressione della conservazione dell’energia venne ricavata per la prima volta nel diciannovesimo secolo e prende il nome di Primo principio della termodinamica.

È una delle leggi più importanti della fisica, perché è applicabile a tutti i sistemi e non solo al gas perfetto. È usata non solo per il fenomeno dell’espansione ma a tutte le trasformazioni termodinamiche, tenendo conto dei segni delle grandezze Q e W.

L’enunciato sottolinea che il calore, come il lavoro, è energia in transito. Ciò che si accumula o si spende nei sistemi fisici è l’energia interna. Prima che le birre di scaldino, è meglio continuare col nostro argomento originario. Proprio per il primo principio della termodinamica, il calore assorbito dall’ambiente esterno ad ogni ciclo del frigorifero è

|Q2|= Q1 + |W|

Chiariamo qualche punto: ricorda che nel frigorifero il calore Q1 (calore assorbito) è positivo, mentre il calore Q2 (calore ceduto) è negativo. Perciò Q2=-|Q2| è il calore assorbito dall'ambiente.

Detto ciò, è arrivato il momento di svelare l’arcano.

Se si apre un frigorifero, staccando la spina, per un po’ la stanza di raffredda, dato che appunto l’interno del frigo è freddo. Non è però possibile rinfrescare continuamente la stanza tenendo aperto lo sportello di un frigorifero acceso.

Al contrario, la stanza si riscalda!

Momento momento momento.
Ma come è possibile? Billy non odiarmi, posso giurare che è realmente così!

Ripetiamo per l’ennesima volta, un po’ come l’Ave Maria:

I frigoriferi sono dispositivi che provocano un passaggio di calore da un corpo più freddo (l’interno della macchina termica) a uno più caldo (l’ambiente esterno); ma attenzione, questo non è l’unico risultato della trasformazione, perché si ha anche un lavoro esterno, positivo, fatto sul sistema.

Come si spiega questo fenomeno?

Ecco che qui entra in gioco il nostro buon vecchio Clausius che, due anni prima di lord Kelvin, propone come secondo principio della termodinamica tale affermazione:

“È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di far passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo.”

92 minuti di applausi.

Conseguenza di tutto ciò

• Toccando il frigo sul retro, questo è caldo. Infatti, il calore prelevato Q1 viene di nuovo immesso nell’ambiente
• La stanza è ulteriormente riscaldata dal funzionamento del frigorifero che, in ogni ciclo, compie un lavoro W

Beh Billy, penso che per ora sia meglio lasciare ad ogni strumento il suo scopo originario. Birretta?