Grandezze fondamentali
 

Il sistema di misura SI
A livello internazionale è stato raggiunto un accordo sull'uso, nel futuro, del "sistema SI" (Systeme International d'Unitès) in sostituzione del sistema metrico.
 

Occorrerà parecchio tempo prima che questo sistema di misura sia generalmente adottato nel campo frigorifero, ma poiché vari paesi industrializzati hanno progettato le specifiche e la legislazione relativa, è necessario per tutti abituarsi giorno per giorno all'uso del sistema SI.

Pressione:
Quando una forza agisce su una superficie I'effetto prodotto dipende dall'estensione della superficie stessa. Come esempio evidente si consideri uno sciatore che grazie agli sci, può rimanere sulla neve senza sprofondare. In effetti gli sci distribuiscono il peso della persona su una grande superficie in modo che il suo peso, riferito all'unità di superficie della neve, è relativamente piccolo

La pressione è definita come il rapporto fra la forza agente a la superficie sulla quale agisce. Essa può essere misurata con diverse unità di misura in funzione delle finalità della misura stessa.
Fra queste il kgf/cm è la più comune nel sistema metrico.L'unità è spesso indicata con "at" ed equivale ad una atmosfera tecnica. In condizioni normali la pressione dell'aria è di 1,033 kgf/cm, equivalente ad una atmosfera fisica. L'abbreviazione è, in tale caso, "atm".
Si possono avere diverse definizioni della pressione in funzione di come si sceglie il punto di vuoto uguale a zero. Se si assume come valore "zero" il vuoto assoluto la designazione usata è "ata" dove la lettera "a" finale significa "assoluta". Questa unità di misura è più frequentemente usata net campo frigorifero anche se sui manometri si può trovare "ato". "Ata" sta per "sovrapressione" in riferimento all'atmosfera fisica. Di conseguenza il punto "zero" corrisponde ad 1 atm od a 1,033 ata.
Un'altra unità di misura della pressione, che si incontra di frequente, è il mm di colonna di mercurio, abbreviata in "mm Hg". La pressione dell'aria corrisponde a 760 mm Hg, che di conseguenza corrisponde a 1 atm o a 1,033 ata.
Infine, in riferimento alle pompe di circolazione dell'acqua, si trova spesso l'unità "metro di colonna di acqua". L'abbreviazione è "m.c.a." e 10 m c.a. corrispondono a 1 ata e10,33 m c.a. corrispondono a 1 atm. L'unità di misura della pressione nel sistema SI è il Newton/m, chiamato anche Pascal "Pa". Poiché questa unità assume valori motto piccoli, nel campo frigorifero si usa invece I'unità di misura "bar" dove 1 bar = 10 Pa. Fortunatamente 1 at = 0,9807 bar ?1 bar.
Questo è il motivo per cui in pratica è spesso possibile usare lo stesso valore in entrambi i sistemi di misura sia che si sia adottato il sistema SI che il sistema metrico. < BR >

Calore
II calore è una forma di energia invisibile. Solamente i suoi effetti sono evidenziati e la misura di tali effetti viene usata per dare la definizione di "Calore". L'unità di misura del calore, nel sistema metrico è la caloria "cal" che corrisponde alla quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1 g (grammo) di acqua da 15°C a 16°C. Nel campo frigorifero è normale usare la "kcal" che equivale a 1.000 cal.. Nel sistema SI l'unità di misura per tutte le forme di lavoro, compreso il calore, è il Joule "J". Per convertire dal sistema metrico al sistema SI: · 1 cal = 4,187 J · 1 kcal = 4,187 kJ

Grande è la differenza fra le quantità di calorie necessarie per innalzare di 1 °C varie sostanze; 1 kg di ferro richiede 0,114 Kcal mentre 1 kg di aria necessita di 0,24 kcal. II "calore specifico" di una sostanza è la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 °C la temperatura di 1 kg della sostanza stessa. I calori specifici delle varie sostanze possono essere trovati in tabelle e sono misurati in kcal/kg°C nel sistema metrico ed in kJ/kg°C nel sistema SI.
 

Cambiamenti di stato delle sostanze
Qualunque sostanza può esistere in tre differenti stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso. L'acqua è l'esempio più naturale: la sua forma solida è il ghiaccio, essa ci circonda allo stato liquido mentre allo stato gassoso è il vapore. Comune a questi tre stati di aggregazione è la molecola che rimane invariata; acqua, ghiaccio a vapore hanno la stessa molecola, il cui simbolo chimico è H2O.

La temperatura e la pressione sono le grandezze di una sostanza necessarie per stabilire se essa si trova allo stato solido, liquido o gassoso. La temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido si chiama "temperatura di fusione". Durante la fusione la temperatura rimane costante; tutto il calore che viene fornito serve al passaggio dallo stato solido allo stato liquido. Solamente quando tutta la sostanza è completamente fusa il calore che viene ulteriormente fornito permette alla temperatura di aumentare nuovamente. Differenti sostanze hanno differenti temperature di fusione (punto di fusione). Ad esempio il cioccolato fonde a 26°C. Come esempio si può osservare ciò che avviene dentro una piccola ghiacciaia.

                                                          
Introdotto il ghiaccio a ? 10°C esso si riscalda in un primo tempo sino alla temperatura di 0°C perchè assorbe calore dall'ambiente circostante e dai prodotti conservati nella ghiacciaia. Quindi, continuando ad assorbire calore, il ghiaccio comincia a sciogliersi (a fondere) e durante tutto il processo di fusione la temperatura rimane costante a 0°C. Se non si aggiunge altro ghiaccio lo scioglimento è completo e l'acqua formatasi si raccoglie nella vaschetta di fondo della ghiacciaia. Da quel momento la temperatura interna della ghiacciaia comincia ad aumentare tendendo a raggiungere il valore della temperatura ambiente.
La quantità di calore che deve essere ceduta ad una sostanza perchè avvenga la fusione si chiama "calore di fusione". Esso è definito come la quantità di calore necessaria per fare fondere 1 kg della sostanza stessa, preventivamente riscaldata sino alla temperatura del punto di fusione. Prendendo ad esempio I'acqua il calore di fusione del ghiaccio è di 80 kcal/kg (335 kJ/kg). La conoscenza dei processi che avvengono durante i cambiamenti di stato delle sostanze è importante per quanto riguarda la refrigerazione perchè:

· i cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante
· i cambiamenti di stato richiedono una quantità di calore relativamente grande per ogni kg di sostanza.
 

Calore di evaporazione
Poiché le caratteristiche dell'acqua sono di facile osservazione e poiché l'acqua si comporta come la maggior parte dei fluidi frigorigeni essa viene presa ad esempio in questo paragrafo.
 

Quando I'acqua viene riscaldata la sua temperatura si innalza finchè incomincia a bollire; la temperatura di ebollizione ("punto dì ebollizione") dipende dalla pressione alla quale si trova I'acqua. In un recipiente aperto ed alla normale pressione atmosferica a livello del mare, 760 mm Hg, I'acqua bolle a 100°C.
Se la pressione scende al disotto di quella atmosferica il punto di ebollizione è inferiore a 100 °C. Per esempio, ad una pressione di 531 mm Hg (equivalenti ad una altezza di 3.000 m al disopra del livello del mare) il punto di ebollizione è di 89 °C.
In un recipiente chiuso il punto di ebollizione è determinato dalla pressione del vapore. Se la pressione è superiore a 760 mm Hg il punto di ebollizione supera i 100°C. Per esempio, il punto di ebollizione dell'acqua è di 120°C quando la pressione è 1 at superiore a quella atmosferica e di 183°C quando la pressione supera di 10 at quella atmosferica. Questo principio è sfruttato nella pentola a pressione.
L'acqua al punto di ebollizione è anche chiamata liquido saturo e, di conseguenza, la temperatura di ebollizione è pure nota come "temperatura di saturazione". Ad ogni data pressione corrisponde una temperatura di ebollizione o temperatura di saturazione ed i valori per I'acqua sono riportati nella tabella seguente.
 

La quantità di energia (calore) da fornire ad un liquido per farlo evaporare è chiamato "calore di evaporazione". La quantità di calore necessaria, alla pressione atmosferica (760 mm Hg), per fare evaporare 1 Kg. di acqua a 100°C è di 539 kcal (2,260kj). Nel caso dell'acqua si forma 1 kg di "vapore saturo". Se viene fornita una quantità di calore inferiore al calore di evaporazione, solamente una parte del liquido si trasforma in vapore e si ottiene una miscela di liquido saturo e di vapore saturo.
II calore di evaporazione è pure chiamato "calore latente". Esso è la quantità di calore che può essere fornito ad una sostanza senza causarne una variazione di temperatura. Per contro si chiama "calore sensibile" la quantità di calore da fornire o da sottrarre ad una sostanza che si trova ad una temperatura inferiore o superiore al punto di ebollizione o di fusione, per farne variare la temperatura.
 

Calore di surriscaldamento
Quando si fornisce calore ad un vapore saturo si ottiene del vapore surriscaldato, il calore fornito si chiama "calore di surriscaldamento". Poiché è già avvenuto un cambiamento di stato (I'evaporazione) entra in gioco il calore sensibile che causa l'aumento di temperatura del vapore. II calore specifico di una sostanza ha valori diversi se la sostanza si trova alto stato solido o liquido o di vapore. Per esempio per riscaldare di 1 °C 1 kg di vapore sono necessarie 0,45 kcal (1 ,9 kj), mentre per lo stesso aumento di temperatura dell'acqua occorre 1 kcal (4,187 kJ).

Il processo di condensazione
II cambiamento di stato inverso al passaggio da liquido a vapore è il passaggio da vapore a liquido. Questo processo è chiamato "condensazione". Invece di fornire una certa quantità di calore è necessario sottrarre la stessa quantità per trasformare il vapore in liquido.

Anche in questo caso la pressione determina la temperature alla quale avviene la condensazione. Il diagramma temperatura - entalpia
Le caratteristiche di una sostanza possono essere rappresentate in un diagramma temperatura entalpia nel quale i valori dell'entalpia sono riportati sull'asse delle ascisse mentre i valori della temperatura sono riportati sull'asse delle ordinate.
L'entalpia è spesso chiamata anche "calore totale" o "contenuto di calore" e rappresentala totalità dell'energia posseduta da una sostanza. Nel diagramma sotto riportato, si è presa come esempio I'acqua a pressione atmosferica.
La curva del diagramma inizia dal punto A con la temperatura dell'acqua = 0°C ed entalpia = 0 kcal/kg. Fornendo calore sensibile si produce il riscaldamento dal punto A al punto B corrispondente alla temperatura di ebollizione dell'acqua. La differenza di temperatura fra A e B corrisponde ad un aumento di 100 °C. Come detto in precedenza ogni °C di aumento di temperatura di 1 Kg. di acqua richiede 1 kcal (4,187 kJ), quindi la quantità totale di calore da fornire per passare da A (0°C) a B (100°C) e di 100 kcal (4,187 kJ)per ogni Kg. Di conseguenza il valore dell'entalpia (Calore totale) del punto B e di 10Q kcal/kg (418,7 kJ/kg).
II tratto B?C corrisponde al calore latente (Calore di evaporazione) necessario per trasformare 1 kg di acqua allo stato liquido (punto B) in vapore saturo (punto C). II calore di evaporazione di 1 kg di acqua alla pressione atmosferica è, come già noto, di 539 kcal/kg (2.260 kJ/kg) e di conseguenza il valore dell'entalpia nel punto C è la somma del calore totale fornito = 100 + 539 = 639 kcal/kg (2.678,7 kJ/kg).
É importante notare che nel passaggio dal punto B al punto C non si producono variazioni di temperatura.II tratto C ? D rappresenta l'effetto del calore sensibile sul vapore e cioè il surriscaldamento. II calore specifico del vapore è, come detto in precedenza di 0,45 kcal/kg°C (1,88 kJ/kg). Nell'esempio del diagramma l'aumento di temperatura da C a D è di 120?100=20 °C a la quantità di calore necessaria per produrre tale aumento è di 20 x 0,45 = 9 kcal/kg (20x1,88=37,6 kJ/kg). L'entalpia nel punto D è la somma del calore totale fornito e cioè 939 + 9 = 648 kcal/kg (2.678,7+37,6=2.716,3 kJ/kg).
Il diagramma pressione - entalpia
Come precedentemente accennato la relazione temperatura?entalpia dipende dalla pressione ed al paragrafo 2.8 si è illustrato un diagramma prendendo I'acqua come esempio. Per dare quindi le caratteristiche temperatura?entalpia di una sostanza occorrerebbe un diagramma per ogni valore della pressione. Poiché la cosa è poco pratica al posto del diagramma suddetto si usa il diagramma pressione entalpia. Tale diagramma è rappresentato qui sotto. Si riportano sull'asse delle ordinate le pressioni con i valori in scala logaritmica. L'entalpia è sempre riportata sull'asse delle ascisse in scala aritmetica.
Poichè nei calcoli frigoriferi è necessario lavorare con diverse pressioni e temperature,
questo diagramma offre una via pratica per determinare graficamente le variazioni di energia
in un impianto.