Calore Sensibile e Latente: Scopri le Differenze Fondamentali e le Definizioni Chiave!

Questo articolo si rivolge a chi è intenzionato a esordire nel mondo della refrigerazione e si pongono domande sui fenomeni termodinamici che ne determinano le tecnologie. Lo scopo è quello di illustrare in modo divulgativo quei rami della fisica che forniscono una migliore comprensione di certi eventi, portando il lettore a una maggiore consapevolezza delle correlazioni esistenti tra cause ed effetti. Questo concetto è alla base del funzionamento del frigorifero e verrà ripreso anche in seguito.

Definizione di Calore Sensibile

Per definire il calore sensibile, bisogna innanzitutto dire che il trasferimento di calore è un processo che può verificarsi in qualsiasi metodo di raffreddamento in cui avviene uno scambio di energia. Nello specifico, con i sistemi di raffreddamento, si tratta della rimozione di calore da una camera per portarla a una temperatura adeguata. Il calore (Q) è definito come l’energia in transito da un punto a un altro all’interno di un sistema ed è una variabile che può essere misurata solo tramite la temperatura.

Il calore sensibile può essere definito come il calore che una sostanza o un corpo può rilasciare o assorbire da un altro senza modifiche nella sua struttura che comporterebbero un cambiamento del suo stato fisico. I cambiamenti di stato fisico che non possono verificarsi includerebbero quindi evaporazione, condensazione o congelamento.

Quando il calore viene trasferito a una sostanza a una temperatura inferiore al suo punto di ebollizione, la sostanza assorbirà calore e di conseguenza aumenterà la sua temperatura. Al contrario, questo processo avviene anche quando le sostanze vengono raffreddate, quando un prodotto viene posto in una camera di refrigerazione e per tutto il tempo in cui si raggiunge la sua temperatura di congelamento.

Il punto di congelamento è un punto di riferimento, in cui la sostanza cambia il suo stato fisico da solido o liquido a congelato. In termodinamica il calore sensibile è la quantità di calore che viene scambiata tra due corpi producendo una diminuzione della differenza di temperatura tra i due corpi. Questo calore continua ad essere scambiato finché vi è una differenza di temperatura tra i due corpi nulla, cioè finché non viene raggiunto l’equilibrio termico.

La quantità di calore necessaria ad incrementare 1°K, 1kg di acqua, è pari a 4,176 kJ (in realtà questa quantità di calore non è costante al variare della temperatura, ma per il nostro esempio le differenze sono trascurabili). Se, ad esempio vogliamo portare a 100 °C un chilo di acqua partendo dalla temperatura di 19 °C dovremo dunque erogare: (100 - 19) *4,176 = 334,88 kJ. Allo stesso modo, se volessimo raffreddare un chilo d’acqua da 19 °C a 0 °C, dovremmo asportare calore pari a 83,72 kJ.

Definizione di Calore Latente

Il termine latente, d’altra parte, che proviene dal latino, si riferisce precisamente alla qualità “nascosta” del calore. Infatti, si riferisce specificamente al fatto che, nonostante l’aggiunta di calore, non si percepisce alcun aumento di temperatura. Il calore latente è generalmente definito come il calore prodotto da una sostanza quando cambia stato (ad esempio, da liquido a gas o da solido a liquido).

Consideriamo un liquido come l’acqua, chiuso all’interno di un recipiente e riempito per metà da esso. Nella parte superiore del recipiente sono presenti molecole di acqua allo stato gassoso, che sono evaporate dal liquido sottostante. All’inizio dell’evaporazione sono presenti poche particelle in fase gassosa, quindi le molecole che si trovano sulla superficie del liquido e che possono staccarsi da esso, passando alla fase di gas, sono più numerose di quelle che vi rientrano. Questo processo continua fino a quando il numero di particelle che passa alla fase gassosa uguaglia il numero di particelle che rientra in fase liquida, stabilendo un equilibrio tra le due fasi.

Ora il gas presente nella parte superiore del recipiente esercita una pressione sul liquido sottostante e sulle pareti del contenitore. Quando la pressione di vapore del gas uguaglia la pressione atmosferica, la temperatura raggiunta dal gas viene definita come “temperatura di ebollizione”, indicando la temperatura alla quale la pressione di vapore saturo diviene uguale alla pressione atmosferica. Possiamo notare la presenza della pressione di vapore saturo anche nel fenomeno dell’ebollizione di un liquido che viene scaldato da una sorgente di calore, in cui si andranno a formare delle bollicine di vapore al cui interno la pressione è pari a quella del vapore saturo.

Il vapore ha chiaramente una densità inferiore a quella del liquido e per questo motivo vi galleggia al di sopra. Quello che non vediamo è un fenomeno microscopico che si produce, cioè una condizione di equilibrio tra fase liquida e fase gassosa (vapore), in cui il numero di particelle (o meglio “entità molecolari”) che dalla fase liquida passano alla fase gassosa è uguale in media al numero di quelle che condensano nel liquido. Quando avviene questo fenomeno, si dice che siamo alla presenza di “vapore saturo”.

Definita la pressione di saturazione, a ogni gas corrisponde una temperatura di ebollizione, ma anche definita la temperatura di ebollizione, a ogni gas corrisponde una pressione di saturazione. Da questo si deduce che un qualsiasi gas puro, in condizioni di saturazione, esercita una pressione che dipende unicamente dalla temperatura a cui si trova.

Se a questo punto cessasse l’apporto o la sottrazione di calore (trascurando l’influenza dell’ambiente) noi rimarremmo indefinitamente alla presenza di un’acqua a 100 °C che non evapora, o di un’acqua a 0 °C che non si solidifica in ghiaccio. La quantità di calore fornito in un caso e asportato nell’altro infatti è quello sufficiente a determinare la variazione di temperatura richiesta per consentire il cambiamento di fase; ma ciò non basta a provocarlo.

Per provocare un cambiamento di fase, occorre fornire o sottrarre una quantità supplementare di calore oltre a quella necessaria a raggiungere la temperatura di trasformazione. Fornendo calore sensibile o asportandolo, noi abbiamo accelerato o rallentato i moti molecolari in una misura che ha riscontro nella corrispondente variazione di temperatura.

Sappiamo però che un cambiamento di fase non consiste solo in una variazione dei moti molecolari, ma anche in una modificazione dell’assetto di aggregazione della sostanza e cioè in una rottura di legami molecolari (nel caso della fusione e della vaporizzazione) o in una creazione di nuovi legami (nel caso della condensazione e della solidificazione). Per permettere che ciò avvenga, è necessario fornire o asportare molta più energia, cioè molto più calore.

Questa seconda quantità di calore, che è assorbita o ceduta dalla materia durante il cambiamento di fase, si definisce calore latente e lo scambio avviene senza ulteriori variazioni di temperatura (e quindi in modo non apparente). Il calore latente di evaporazione è una quantità rilevante di calore, spesso maggiore a quella necessaria al semplice innalzamento della temperatura del liquido. Per ottenere la completa trasformazione in vapore dell’intera quantità di acqua è necessario fornire 2.272 kJ (anziché 417,6kJ), che rappresentano l’energia richiesta dalla rottura dei legami molecolari.

Esiste anche un calore latente di congelamento, che rappresenta la quantità di energia asportata da una sostanza dopo che essa è stata portata alla propria temperatura di congelamento. Si tratta in genere di una grandezza meno rilevante di quelle riferite all’evaporazione, ma sempre importante rispetto alle quantità di calore sensibile che entrano in gioco. Nel caso di un kg di acqua a 19 °C, abbiamo sottratto 83,72 kJ per scendere alla temperatura di 0 °C.

Differenze Chiave tra Calore Sensibile e Latente

Uno dei modi più semplici per definire la differenza tra calore sensibile e calore latente è il modo in cui avviene l’evaporazione di una sostanza a una certa temperatura. Questo calore latente, pertanto, sarebbe un “calore nascosto” che è in realtà responsabile del cambiamento di stato della temperatura. Ad esempio, quando l’acqua raggiunge i 100 °C e passa da uno stato liquido a uno stato gassoso e mantiene costante la sua temperatura.

Il calore sensibile, d’altra parte, è un cambiamento di temperatura “corrente”. In altre parole, è quando una sostanza assorbe calore e passa, ad esempio, da 20 °C a 40 °C. A sua volta, un processo di trasferimento di calore sensibile si verifica nelle celle frigorifere, motivo per cui devono sempre essere utilizzate macchine a compressione di vapore per raffreddare una cella frigorifera. Più alta è la temperatura a cui i prodotti sono immagazzinati nella camera, maggiore sarà il consumo della camera, poiché deve aumentare il suo “sforzo”. Un esempio chiaro di ciò si può vedere nel settore alimentare, dove è sempre consigliabile raffreddare gli alimenti prima di collocarli in un sistema di refrigerazione.

Tutte le sostanze pure presenti in natura sono in grado di cambiare di stato: i solidi possono trasformarsi in liquidi (il ghiaccio in acqua) e i liquidi possono trasformarsi in gas (l'acqua in vapore). Tutti questi cambiamenti richiedono l'aggiunta o perdita di calore. Tuttavia, il calore latente non produce alcun effetto sulla temperatura di una sostanza. L'acqua, per esempio, mantiene una temperatura pari a 100 °C quando è in ebollizione: il calore aggiunto per portare l'acqua ad ebollizione è calore latente.

Comprendere questa differenza è fondamentale per capire perché nei sistemi di raffrescamento si utilizza il refrigerante e spiega anche perché per definire la capacità di raffrescamento di un'unità si utilizzano i termini "capacità totale" (calore sensibile e latente) e "capacità sensibile".

Il calore sensibile non è lo stesso per tutte le sostanze. Si può dire che ogni sostanza ha il proprio calore di fusione e di vaporizzazione. Questo perché queste temperature sono legate alle caratteristiche specifiche della loro struttura molecolare. Allo stesso modo, è richiesto un calore latente diverso per ciascun processo di cambiamento di stato. Esiste quindi un calore latente di vaporizzazione, condensazione o fusione.

In questa equazione, Q rappresenta il calore, e L è il calore latente della sostanza. Questo calore, come accennato, dipende dal tipo di cambiamento di fase.

Trasmissione del Calore

La trasmissione del calore avviene tramite conduzione, convezione e irraggiamento.

Conduzione: è un fenomeno tipico dei solidi o di zone di contatto tra corpi diversi, che si verifica quando il calore si propaga dalla zona più calda a quella più fredda senza spostamento di materia, a causa del movimento vibratorio delle molecole e degli atomi del corpo.
Convezione: è un fenomeno tipico dei gas e dei liquidi. Quando si riscalda una parte di essi, si verifica un movimento ascensionale dovuto alla minore densità della parte più calda.
Irraggiamento: è il processo di emissione da parte di un corpo caldo di radiazioni elettro-magnetiche alcune delle quali (quelle denominate infrarosse) riscaldano il punto che colpiscono, come la luce del sole che giunge sino a noi attraverso il vuoto interplanetario. Ciò avviene senza contatto tra i due corpi a diversa temperatura e senza spostamento di materia.

Carico Termico: Sensibile e Latente

Il carico termico è definito come la potenza termica da fornire o sottrarre in un ambiente affinché lo stesso mantenga condizioni stabilite sia di temperatura che di umidità.

Il carico termico si suddivide in:

Sensibile (Qs): associato ad una differenza di temperatura tra ambiente esterno ed interno.
Latente (Ql): associato ad una differenza di umidità tra ambiente esterno ed interno.

Il carico termico sensibile è indotto dalle interazioni energetiche con l’ambiente esterno che a loro volta dipendono dalla trasmissione del calore attraverso l’involucro e dall’infiltrazione di aria, così come anche dalla radiazione solare, dalla presenza di persone e da fonti di calore endogene.

Il carico termico latente, invece, è indotto dalla presenza di persone e dall’umidità associata ad aria che si infiltra attraverso l’involucro e/o in ingresso/uscita dagli ambienti a causa dell’apertura saltuaria di porte e finestre. Bisogna tener presente che per il regime invernale non si considera il carico latente (entrante) nell’ambiente a differenza di quello sensibile che è uscente.

In estate, invece viene considerato il carico termico latente.

Carichi Termici Invernali

Conoscere il carico termico invernale è fondamentale per dimensionare correttamente gli impianti termici e i relativi sottosistemi di generazione, distribuzione ed emissione.

La formula per calcolare il carico termico invernale sensibile è la seguente:

Qtot = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 +QR

Dove:

Q1 = potenza termica che fuoriesce attraverso l’involucro disperdente verso l’esterno (opaco e trasparente) + potenza termica dispersa attraverso il terreno;
Q2 = potenza termica dispersa per trasmissione verso locali non riscaldati;
Q3 = potenza termica dispersa per trasmissione attraverso i ponti termici;
Q4 = potenza termica dispersa per ventilazione;
QR = potenza termica di ripresa, ossia, in caso di utilizzo intermittente dell’impianto, la potenza necessaria a ristabilire la condizioni di confort termico in caso di riaccensione dopo lo spegnimento dell’impianto.

Carichi Termici Estivi

Durante la stagione estiva il fabbisogno di energia per il raffreddamento viene influenzato sia dalla radiazione solare che dalle esposizioni che variano nel tempo.

La formula per calcolare il carico termico estivo è:

QS = Qst + Qso + Qd + Qel + Qme + Qp + Qv + Qs