Si può parlare di scienza in molti modi diversi, alcuni preferiscono un approcio più diretto, proporzionale alle loro competenze, spesso specifico e ricco di tecnicismi, altri invece cercano di renderla comprensibile, di più facile fruizione. Tuttavia, spesso capita comunque che ci si imbatta in argomenti realmente complessi da trattare. Io dal canto mio cercherò di farlo portando esempi di vita quotidiana, regalando qualche pillola di conoscenza che possa andare ad aprire una piccola parentesi sulla "stregoneria tecnologica" dei nostri giorni.
Fino a dieci anni fa ad esempio, per me era totalmente inconcepibile come fosse possibile che una macchina appesa al muro di casa, potesse far uscire talmente tanta aria fredda, da creare uno sbalzo termico di anche 10-15 gradi rispetto all'ambiente esterno.
Ero abbastanza convinto che si trattasse di magia, nient'altro.
L'inventore del "condizionatore ad aria" è un giovane ingegnere meccanico americano nato nel 1876, di nome Willis Haviland Carrier. Appena dopo laureato, Carrier fu assunto dalla Buffalo Forge Company e propose il progetto di una macchina elettrica capace di controllare umidità e temperatura dell'aria ad una tipografia di Brooklyn, la Sackett - Wilhelms Lithographing and Publishing Company. Questa compagnia da anni aveva il problema di interi lotti di carta stampata rovinata dall'umidità dei magazzini, con alterazioni persino dell'inchiostro che rendeva i testi illeggibili. La prima installazione della macchina "condizionatrice dell'aria" avvenne nel 1902 e fu un grande successo: quattro anni (e tanti test) dopo il brevetto fu registrato e nel 1906 nacque ufficialmente la prima macchina "per il trattamento dell'aria". Nel 1915, a ridosso della prima guerra mondiale, 7 giovani ingegneri decisero di lasciare la compagnia di Buffalo e di fondare un azienda tutta loro: nacque la Carrier Engineering Corporation che portò, a partire dagli anni 20', il condizionatore nelle case di tutti gli americani. La Carrier Corporation esiste ancora, con un fatturato annuo di oltre 15 miliardi di dollari e circa 45 mila impiegati.
Quando accendiamo il condizionatore in camera e ci mettiamo sul letto a giocare con l'xbox , ci potremmo distrarre per un momento dall'orda di zombie che ci assale nel videogioco perché ci potrebbe passare per la testa la domanda: come è possibile che in camera ci sono 18 gradi mentre all'eterno ve ne sono 48 all'ombra? Ancora più interessante, sarebbe conoscere che in realtà il nostro condizionatore non ha raffreddato l'ambiente, piuttosto, ha sottratto calore e lo ha convogliato all'esterno dell'abitazione.
Ma andiamo a vedere meglio come funziona e quali leggi fisiche entrano in atto:
La termodinamica
Il primo principio della termodinamica, citandolo testualmente, afferma che :
"L'energia interna di un sistema termodinamico isolato è costante"
Vale a dire che l'energia di un sistema non si può creare, ne distruggere, ma può mutare, ed esser trasferita.Il concetto di trasferimento di calore, o scambio termico, in accordo con il primo principio della termodinamica, stabilisce che: dati due oggetti, il calore verrà ceduto dall'oggetto più caldo a quello più freddo
Leggi e proprietà dei gas
Cito testualmente la seconda legge di Gay Lussac: "a volume costante, la pressione di una data massa di gas è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta"
Anche in questo caso possiamo dire semplicemente che temperatura, volume e pressione di un gas, sono valori legati a doppiofilo tra loro, e che al variare di uno, variano anche gli altri.
Se immaginiamo un circuito chiuso come quello dei condizionatori dove il volume del gas viene mantenuto costante, all'aumentare della pressione, aumenterà proporzionalmente anche la sua temperatura e viceversa.Il gas presente nei condizionatori, non è un gas qualunque, ma viene definito gas perfetto, o ideale.
Il Difluorometano, comunemente noto come R32 impiegato in tutti i recenti condizionatori per uso civile ed industriale ne è un esempio.
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A renderlo un gas ideale, sono le sue particolarità molecolari:
- Presenta delle molecole puntiformi, con un valore volumetrico trascurabile;
- Tali molecole sono capaci di interagire con l'ambiente esterno e tra loro stesse, senza disperdere energia cinetica;
- Il moto delle molecole è casuale;
- Sono identiche tra loro.
Ma parliamoci chiaramente, tutte queste leggi riportate e questo gran parlare di fisica, mi serve per scandire a gran voce tre concetti fondamentali:
- Il calore si può trasmettere da un corpo caldo ad uno freddo;
- Se aumenti la pressione di un gas, in un circuito chiuso, la sua temperatura aumenterà;
- I condizionatori funzionano solo con gas che presentano caratteristiche simili ai gas perfetti.
Il condizionatore dell'aria ha diversi organi meccanici con funzioni ben precise, che gli permettono di scaldare e raffreddare il gas al suo interno allo scopo di raccogliere quanto più calore possibile da un ambiente chiuso, per poi rilasciarlo all'esterno: ma andiamo a vedere un ciclo completo come funziona.
PRIMA FASE
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Nella gif, possiamo distinguere i diversi componenti:
- Le tubazioni che contengono il gas, rigorosamente in rame, materiale perfetto grazie alla sua ottima conduzione di calore;
- Un compressore, che permette di comprimere il gas ed imporgli un moto, facendolo quindi muovere velocemente nella direzione che vogliamo noi (in questo caso nel senso della freccia);
- Un condensatore ed un evaporatore, che sono degli scambiatori di calore che funzionano in maniera simile ma determinano un risultato opposto e che vedremo più nel dettaglio tra qualche paragrafo.
All'inizio del ciclo, il compressore, che comunemente viene chiamato "motore", fa parte dell'unità esterna del condizionatore ed il suo scopo come detto prima è quello di comprimere il gas e spingerlo verso il condensatore.
La compressione del gas in questo punto del sistema, determinerà un incremento in temperatura dello stesso, per la seconda legge di Gay Lussac dei gas: tutto questo calore in eccesso deve esser disperso. Qui entra in gioco la legge del trasferimento dell'energia: il gas caldo passerà attraverso un componente chiamato condensatore, che non è altro che uno scambiatore di calore per nulla dissimile al radiatore di un'automobile. Questo è costituito da una lunga serie di tubazioni a spirale, con una ventola soffia aria in continuazione per raffreddare il gas. Di conseguenza, se la temperatura del gas diminuisce, anche la pressione diminuirà per la legge dei gas esposta in precedenza. Il nome condensatore, deriva dal fatto che durante questa operazione di raffreddamento, il gas refrigerante cambia di stato passando da gassoso a liquido.
SECONDA FASE
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Il capillare altro non è che un restringimento della sezione del tubo, che abbatte drasticamente la pressione del gas (effetto Venturi riguardo la meccanica dei fluidi), riducendone enormemente la temperatura. Basti pensare che in alcuni impianti, il gas R32, precedentemente menzionato, può facilmente scendere di decine di gradi celsius sotto lo 0. Quando il liquido refrigerante supererà la serpentina del capillare, avrà quindi pressione e temperatura estremamente basse.
💡 Sapevi che...?
Il giornalista Jon Henley in un articolo per The Guardian, scrive che la temperatura globale, aumenterà del 25% entro il 2060 proprio a causa dei gas refrigeranti utilizzati negli impianti di condizionamento, Vale a dire, un temperatura globale superiore del 50% rispetto al secolo scorso. Ironia della sorte, nell'artivolo si stima anche, che per far fronte a tale surriscaldamento globale, l'umanità nel 2100 consumerà il 33% di corrente elettrica in più rispetto a quella attuale in ulteriori impianti di condizionamento.
TERZA FASE
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L'evaporatore, similmente al condensatore, è uno scambiatore di calore, che convoglia il liquido freddo in una tubazione a serpentina lunga e stretta, dove avviene il passaggio dallo stato liquido a quello di gas. Un ventilatore, faciliterà lo scambio termico, disperdendo aria fredda nell'ambiente. Durante questo percorso, il calore dell'aria presente nella stanza, si trasferirà al liquido, che tornerà caldo. Il nome evaporatore, deriva dal fatto che durante questa operazione di assorbimento del calore, il liquido refrigerante cambia di stato passando allo stato gassoso.
QUARTA FASE
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Avete presente quel rivolino di acqua che scende dalle marmitte delle automobili? Oppure l'acqua che esce dalle tubazioni di scarico del vostro condizionatore? Quella è la condensa che si è creata con i vari contrasti caldo/freddo creati dal gas, ed è composta interamente dall'umidità che era presente nell'ambiente refrigerato.
Willis Carrier voleva creare un deumidificatore per aiutare una tipografia che perdeva chili e chili di carta, ma alla fine, ha inventanto una meraviglia tecnologica presente nelle case di milioni di persone su tutto il globo.
Purtroppo, anche questa volta non ci siamo imbattuti in una pronuncia corretta di "Wingardium Leviosa".
e non sapete che fatica ho fatto per farmi passare Ermione in questo articolo.
Ma abbiamo constato che in effetti, con la fisica, la chimica ed un pizzico di meccanica, è possibile sottrarre calore all'aria, come fosse una vera magia!
P. Mazzei e R. Vanoli, Fondamenti di termodinamica - Note dalle lezioni di Fisica tecnica, 2ª ed., Napoli, Liguori editore, 1989.
Enrico Fermi, Termodinamica, Bollati Boringhieri, 1972, ISBN 88-339-5182-0.
Ingels Margaret. "Willis Haviland Carrier: father of air conditioning." Garden City: Country Life Press, 1952
Jon Henley. "World set to use more energy for cooling than heating." The Guardian
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