Concentrare calore in poco spazio in modo semplice

[swalf]

Domanda forse stupida:
È possibile in un modo abbastanza semplice concentrare il calore di una superficie ampia in poco spazio ma a temperatura più elevata, in poche parole una piccola pompa di calore?
Tanto per intenderci, è possibile far bollire una piccola quantità d'acqua concentrando su di essa il calore emesso da un termosifone?

[nll]

Uno specchio concentratore fa proprio quel lavoro, ma forse non è la risposta che attendevi, vero? Lo puoi anche chiamare "solare termodinamico" e troverai già alcune discussioni che ne parlano.

Il termosifone non può fare il lavoro che chiedi perché il suo funzionamento è esattamente l'opposto: diffondere nell'ambiente il calore apportato dall'acqua calda che lo percorre.

[swalf]

La mia idea era appunto quella di fregagli il calore che vuole dissipare nell'ambiente e concentrarlo in un piccolo spazio. Fondamentalmente è lo stesso lavoro che fa un climatizzatore nella stagione invernale prendendo aria dall'esterno, invece la mia macchina dovrebbe farlo partendo dall'aria molto calda attorno al calorifero.

[nll]

Intanto devi capire che l'energia si trasmette perdendone un poco ad ogni passaggio, si chiama rendimento. Quando il rendimento sembra superare il limite fisico di 1, in realtà continua a essere inferiore a 1 nel bilancio complessivo, ma si sfrutta il calore esterno per raggiungere tali valori. Questo accade nel caso che hai citato.

Come ti ho scritto prima, il termosifone lavora all'opposto, perché il suo compito è quello di cedere calore all'ambiente e riesce a farlo perché c'è una differenza di temperatura tra gli elementi del radiatore e l'aria circostante. Il trasferimento di calore avviene per quello e per il moto convettivo dell'aria innescato col riscaldamento: l'aria calda si espande, diventa più leggera e sale, quella fredda scende per opposti motivi.

Non confondere il calore con la temperatura, sono due grandezze differenti e la capacità di utilizzare il calore si chiama entropia. Minore è l'incremento di entropia, più efficiente è il trasferimento del calore, ma l'entropia è comunque sempre in aumento, nel miglliore dei casi teorici è a zero, ma mai inverte direzione.

Tutto questo per farti capire che se in qualche modo scaldi qualcosa, recuperare quel calore non ti riporterà mai ad avere tutto il calore che hai speso per scaldarlo.

Nell'esempio del frigorifero che hai fatto, d'inverno già recuperi parte del calore disperso dal radiatore e dal compressore, scaldando l'aria dell'ambiente, che quindi necessuterà un po' meno calore dal termosifone in inverno. Di contro, d'estate sarebbe opportuno perdere quel calore, eventualmente portando il radiatore fuori casa, almeno eviti di dover smaltire quell'eccesso di calore con l'impianto di condizionamento. Ma ne vale la spesa?

Come vedi, la tua idea non è applicabile, perché nella migliore delle ipotesi è antieconomica, nella peggiore è pure una maggiore perdita di rendimento.

[swalf]

Intanto devi capire che
****** non quotare i messaggi interi ******
una maggiore perdita di rendimento.

Pardon la mia era solamente una curiosità, immaginavo fosse antieconomica, volevo solamente sapere se era fattibile in modo abbastanza semplice.
L'idea, particolarmente stupida era di riuscire a scaldare le vivande sfruttando i termosifoni dei luoghi pubblici dato che sono costretto a mangiare sempre roba fredda.

[atomax]

...è possibile far bollire una piccola quantità d'acqua concentrando su di essa il calore emesso da un termosifone?

No, non è possibile come spiegato già da Nll, ma aggiungo...
Per concentrare il calore emesso da una sorgente, si usano dei concentratori ottici che convogliano l'energia irradiata in un punto. Un termosifone, trovandosi a 60-70°C, irradia molto poco e di consegueza concentrerai pochissima energia, anche usando un concentratore di dimensioni spropositate.

[nll]

Se il problema era scaldare le vivande, potevi dirlo subito: appoggia il baracchino in acciaio inox (modello operaio Fiat anni '60-'70) sopra il radiatore almeno 40 minuti prima del pasto e, se non te lo ruba nessuno, avrai il tuo bel cibo riscaldato a una temperatura accettabile (i termosifoni non vengono scaldati mai sopra i 70°C) e senza che si bruci.

Non hai bisogno di alcun concentratore, nè attrezzatura particolare.

[swalf]

Quella può essere una buona idea e sicuramente più praticabile (a parte per i 40min che non sempre si hanno)
Come però detto il mio interesse era oltre che pratico (ma qui direi che è molto difficile sfruttare in modo comodo una pompa di calore) assolutamente dilettantistico.
Forse non mi sono chiarito bene fin da subito e me ne scuso.
Volevo semplicemente sapere se esiste un modo semplice per far bollire una piccola quantità d'acqua partendo da una sorgente di calore mediamente calda come un calorifero. Non mi interessa per il momento la bassa resa, era solo una mia sfida personale.
Io per ora ho trovato il modo stupido, della serie motore stirling che alimenta una piccolissima resistenza. Ora volevo trovare un modo più intelligente, ma ci vorrebbe un piccolo compressore e un condensatore per comprimere l'aria calda attorno al calorifero e portarla sopra i 100°C.
Ditemi se questa è una cavolata: se io ho un volume di 1 m^3 d'aria a 40°C in linea teorica potrei ottenere 1/2 m^3 a 343,15°C poi la pratica è un altra cosa....

[atomax]

...se io ho un volume di 1 m^3 d'aria a 40°C in linea teorica potrei ottenere 1/2 m^3 a 343,15° C

Scusa swalf, puoi spegare meglio? Non capisco se intendi comprimere 1m^3 di aria e portarlo al volume di 1/2 m^3 o cos'altro...

[swalf]

Si intendevo esattamente ciò

[atomax]

1m^3 di aria a 40°C e a pressione atmosferica, possiede 38,44 moli e pesa 1,128 kg.
Comprimendolo ad una pressione doppia di quella atmosferica, gli 1,128 kg di aria andranno ad occupare un volume di 0,5 m^3. Sia la pressione che il volume hanno subito delle variazioni. La trasformazione si dice isoterma in quanto la temperatura è stata l'unica grandezza rimasta costante. Basta applicare la legge dei gas perfetti per verificarlo: PV=nRT da cui T=PV/nR
P= 200000Pa
V=0,5 m^3
n=38,44
R=8,31
T sarà uguale a 313K cioè 40°C.

[swalf]

Già temevo ciò, anche avendo studiato le trasformazioni termodinamiche alle superiori. Evidentemente non ho ben capito come funziona un pompa di calore, potresti chiarirmi un po' le idee?

Grazie ;-)

[atomax]

Una pompa di calore funziona in questo modo:
Un fluido di lavoro (gas R22) viene compresso adiabaticamente attraverso un compressore azionato da un motore elettrico (il volume resta costante perchè il compressore e l'impianto sono totalmente ermetici). All'aumento di pressione a volume costante segue un aumento della temperatura e quindi dell'entalpia del fluido. Il gas caldo viene fatto circolare in uno scambiatore di calore detto scambiatore caldo. Questo scambiatore viene lambito dall'aria o dall'acqua che si vuole scaldare. Il gas dopo aver circolato nello scambiatore caldo attraversa una valvola di espansione dove appunto si espande diminuendo la sua pressione e quindi la sua temperatura. A questo punto il gas si porta dallo stato gassoso a quello liquido raggiungendo temperature molto basse. Il fluido freddo liquefatto attraversa un altro scambiatore (scambiatore freddo) il quale viene riscaldato attraverso l'aria esterna convogliata magari da ventole. Talvolta invece dell'aria, lo scambiatore freddo può essere lambito dall'acqua. Il fluido freddo, trovandosi ad esempio a -20°C, viene riscaldato dall'aria (o dall'acqua) esterna che magari si trova a 10°C. Assorbendo calore, il fluido evapora nuovamente e viene compresso di nuovo ricominciando il ciclo. Una pompa di calore può fornire 3kW di potenza termica a fronte di un consumo di 1kW di energia elettrica spesa dal compressore. Questo perchè sposta semplicemente il calore da una fonte a temperatura inferiore ad una fonte a temperatura superiore. Il kW speso dal compressore è il prezzo da pagare per andare "contro natura", ricordo infatti che il calore va dalla sorgente a temperatura superiore ad una a temperatura inferiore.

[amir]

1m^3 di aria a 40°C e a pressione atmosferica, possiede 38,44 moli e pesa 1,128 kg.
Comprimendolo .....
... La trasformazione si dice isoterma in quanto la temperatura è stata l'unica grandezza rimasta costante....
...: PV=nRT da cui T=PV/nR
P= 200000Pa
V=0,5 m^3
n=38,44
R=8,31
T sarà uguale a 313K cioè 40°C.

Non me lo spiego, forse per la mia imperfetta comprensione della legge dei gas perfetti... ma è notorio che comprimendo un gas, la sua temperatura aumenta (motori diesel, frigoriferi...), perché dici che la temperatura rimane costante?

amir

[atomax]

...è notorio che comprimendo un gas, la sua temperatura aumenta

Ciao amir, la tua domanda è più che leggittima!
Dunque, la legge dei gas perfetti vale per gas ideali e l'aria compressa a 2 bar in un serbatoio da 1/2 m^3 sottostà quasi totalmente a questa legge. Il problema è che la legge dei gas perfetti è valida quando si è raggiunto lo stato di equilibrio termodinamico. Quando finisco di caricare la bombola a 2 bar e spengo il compressore, il sistema raggiunge lo stato di equilibrio e quindi vige la legge dei gas perfetti valendo quanto da me scritto nel post precedente. D'altronde se così non fosse, toccando una bombola di un compressore d'aria a 8-10 bar, o un'estintore carico a 16 bar, dovremmo scottarci, ma com'è noto ciò non avviene.
Veniamo ora al caso in cui il compressore è in azione. In questo caso il sistema ancora non raggiunge l'equilibrio pertanto la legge dei gas perfetti viene meno e occorre usare una legge un pò più dettagliata, grazie alla quale è possibile conoscere qual'è la velocità delle particelle di aria che urtano tra di loro. L'energia del gas aumenta quindi non a causa dell'urto, ma a causa dell'aumento della velocità delle particelle. Ovviamente conoscere singolarmente la velocità di ciascuna particella è impossibile, pertanto si ricorre al calcolo della velocità quadratica media:
Vrms=rad.quad.(3KT/m). Dove K è la costante di Boltzman e vale 1,38e-23, T è la temperatura e m è la massa della sostanza.
Com'è possibile notare c'è una correlazione tra velocità quadratica media e temperatura. Questo è il motivo per il quale un fluido durante la fase di compressione si scalda, ma quando tutto ha raggiunto l'equilibrio la temperatura si porta al valore di quella ambiente.
Esempio: pompa della bicicletta.
Quando gonfiamo le ruote della bici, possiamo facilmente accorgerci che la pompa si scalda, ma se tocco la ruota (ormai a pressione) il giorno dopo, la sua temperatura è quella dell'ambiente esterno.
Spero di essere stato utile

[amir]

Ricevuto atomax, grazie.

a

[swalf]

Grazie per l'accurata spiegazione ;-)

[zmp]

La mia idea era appunto quella di fregagli il calore che vuole dissipare nell'ambiente e concentrarlo in un piccolo spazio. Fondamentalmente è lo stesso lavoro che fa un climatizzatore nella stagione invernale prendendo aria dall'esterno, invece la mia macchina dovrebbe farlo partendo dall'aria molto calda attorno al calorifero.

Aloora se vuoi fregargli IL CALORE o le calorie ... attacagli un HEAT PIPE e ti sposti meccanicamnete .
io userei una anche una pompa di calore ..possibilmente piccola

[nll]

Con l'heatpipe non fai bollire l'acqua! Non serve per concentrare il calore, ma per trasportarlo dalla parte più calda verso quella più fredda.