Il ciclo di Carnot invertito: un frigorifero
1 · Prevedi
Invertendo il ciclo di Carnot si trasforma una macchina in frigorifero: il lavoro netto ENTRA invece di uscire. Il gas assorbe ancora calore dal serbatoio freddo, come un frigo vero che lo estrae dall'interno?
- No: invertendo il ciclo si scambiano anche i serbatoi.
- Un ciclo invertito non scambia calore con alcun serbatoio.
- Sì: il ciclo invertito assorbe calore dal lato freddo e ne scarica di più su quello caldo, usando il lavoro in ingresso.
2 · Configurazione
- Apri il preset frigorifero di Carnot e premi Reimposta. Gli stessi 4 rami di carnot-cycle girano in ordine inverso.
- Attiva la lettura del lavoro per ramo e i COP di raffreddamento/riscaldamento.
- Per ogni ramo (da 1 a 4), leggi volume bersaglio e lavoro del gas su quel ramo.
3 · Raccogli dati
| Numero del ramo | Volume bersaglio del ramo V (L) | Lavoro del gas su questo ramo (J) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 |
Abbozza il diagramma P-V percorrendo i rami in ordine. Confronta il verso (orario o antiorario) col diagramma di carnot-cycle.
4 · Analizza
- Somma i valori di lavoro dei tuoi 4 rami — il totale (lavoro netto compiuto DAL gas) dovrebbe risultare negativo, il che significa che al gas va fornito lavoro netto. Calcola il COP frigorifero = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0 e il COP termico = Th/(Th − Tc) = 2.0.
- Confronta l'ordine dei rami con carnot-cycle. Spiega come la semplice inversione della sequenza trasformi il ciclo da macchina (lavoro netto fuori) a frigorifero (lavoro netto dentro).
5 · Estendi
- Un COP di raffreddamento di 1.0 significa spostare 1 J di calore dallo spazio freddo per ogni 1 J di lavoro fornito. Un COP di riscaldamento di 2.0 (pompa di calore) significa consegnare 2 J al vano caldo per 1 J di lavoro. Spiega perché COP_heat è sempre esattamente 1 in più di COP_cool a parità di serbatoi.
- A differenza del rendimento (sempre ≤ 1), il COP può superare 1 — senza violare la conservazione dell'energia. Spiega perché COP > 1 è possibile: l'energia extra consegnata viene dal serbatoio raffreddato, non creata dal nulla.
La fisica dietro questo esperimento
Coefficiente di prestazione del frigorifero
La prestazione frigorifera di un ciclo di Carnot invertito si misura con COP_cool = Tc/(Th − Tc): quanto calore viene rimosso dallo spazio freddo per unità di lavoro fornito. Gap di temperatura minori danno un COP migliore (più alto).