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.

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
b) Non e’ possibile una trasformazione il cui unico effetto sia quello di trasformare
in lavoro meccanico il calore sottratto a una sola sorgente

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).