Se vorbește tot mai mult despre pompele de căldură ca despre o modalitate mai bună de a vă încălzi casa. Ele chiar au o funcție dublă, înlocuind aparatul de aer condiționat în timpul verii. Partea bună este că, în general, sunt mai eficiente din punct de vedere energetic și nu ard niciun combustibil.
Dar ce este o pompă de căldură și cum funcționează? Dacă vă spun că transferă căldura de afară într-o zi rece de iarnă pentru a vă menține cald, probabil că veți avea și mai multe întrebări, cum ar fi: cum puteți folosi frigul de afară pentru a crește temperatura din interior?
Care este diferența dintre aerul cald și aerul rece?
De fapt, ce înseamnă „temperatură”? Este mai ciudat decât crezi. La un nivel de bază, dacă creșteți temperatura aerului, creșteți energia cinetică a moleculelor de aer. Aceasta este energia pe care un obiect o are datorită mișcării sale. Așadar, moleculele din aerul la 40 de grade se mișcă mai repede decât cele din aerul la 20 de grade.
Acest lucru înseamnă că, dacă doriți să creșteți temperatura aerului, trebuie să aveți un anumit tip de aport de energie. Într-adevăr, totul se rezumă la energie.
Acum, ați putea crede, în mod rezonabil, că o „pompă de căldură” pompează căldura, așa cum o pompă de apă mișcă apa.
Dar căldura nu este cu adevărat un lucru; este un transfer de energie de la un obiect la altul datorită unei diferențe de temperatură.
Sincer să fiu, chiar și fizicienii folosesc uneori termenul în mod greșit ca o prescurtare, dar, în mod corect, un obiect nu poate „avea căldură” sau „pierde căldură”. Gândiți-vă la el ca la un verb, nu ca la un substantiv.
La fel cum energia cinetică este o măsură a mișcării unui obiect, energia termică este energia pe care acesta o are datorită temperaturii sale.
Cantitatea de energie termică depinde, de asemenea, de masa obiectului și de „capacitatea termică specifică” a acestuia. Aceasta este o măsură a cantității de energie necesară pentru a crește temperatura obiectului. Metalul are o căldură specifică scăzută, deci se încălzește rapid. Acesta este motivul pentru care tigăile au adesea mânere din lemn sau plastic.
O problemă de interacțiune termică
Atunci când aveți două obiecte la temperaturi diferite și le puneți în contact, există o interacțiune termică. Dacă așezi o ceașcă de cafea pe birou, atât ceașca, cât și biroul își vor schimba temperatura. În această interacțiune, cafeaua pierde energie termică, iar masa (și aerul din jur) o câștigă.
Această interacțiune va continua până când totul va ajunge la aceeași temperatură.
Dar putem folosi această idee pentru a crește temperatura aerului dintr-o casă – este destul de simplu. Doar ieșiți afară într-o zi caldă de vară și luați o piatră mare care a stat la soare.
(O piatră mică nu va funcționa – masa sa mică înseamnă că nu are prea multă energie termică – așa că nu uitați să o ridicați cu picioarele și nu cu spatele!). Când aduceți această piatră fierbinte înăuntru, va exista o interacțiune termică cu aerul mai rece, iar temperatura aerului va crește. Bum. Tocmai ai făcut un încălzitor.
Și iată un fapt crucial: conform celei de-a doua legi a termodinamicii, energia termică se transferă doar de la lucrurile fierbinți la cele reci; nu merge în sens invers.
Deci, în ciuda a ceea ce ați putea crede, cuburile de gheață din băutura dumneavoastră nu „răcesc” lichidul; lichidul încălzește cuburile de gheață – ceea ce înseamnă că pierde energie și se răcește, în timp ce gheața câștigă energie și se topește.
Bine, atunci când aveți două obiecte la temperaturi diferite și le puneți în contact, există o interacțiune termică.
Dacă așezi o ceașcă de cafea pe birou, atât ceașca, cât și biroul își vor schimba temperatura. În această interacțiune, cafeaua pierde energie termică, iar masa (și aerul din jur) o câștigă. Această interacțiune va continua până când totul va ajunge la aceeași temperatură.
Legătura directă dintre temperatura din casă și o viață mai lungă
Cum funcționează un încălzitor electric
Când curentul electric trece prin fir, firul se încălzește. Acum aveți un obiect care este mai cald decât aerul și care poate crește temperatura în casa dumneavoastră. Iată cum funcționează un încălzitor electric.
Sau puteți aprinde un foc. Atunci când ardeți un obiect, are loc o reacție chimică între materialul respectiv și oxigenul din aer, eliberând energie care poate fi folosită pentru a crește temperatura aerului.
Este exact ca la un cuptor cu gaz. Acest tip de încălzire este simplu. Din păcate, atunci când arzi materiale pe bază de carbon, cum ar fi lemnul sau gazul natural, se produce și dioxid de carbon.
Faceți lucrurile mai reci
OK, acum să răcim aerul dintr-o casă. Da, ai putea face rost de o piatră rece pe care să o aduci în casă, dar probabil că este greu să găsești o piatră rece într-o zi toridă de vară.
Cert este că nu există o modalitate simplă de a face lucrurile mai reci, așa cum există pentru a face lucrurile mai calde.
Există însă un truc interesant. Luați o bandă de cauciuc (cu cât mai mare, cu atât mai bine) și țineți-o între degete.
Întindeți-o foarte tare și pe superioară, care este sensibilă la temperatură, vei simți că este mai caldă decât era înainte. Acest lucru se datorează faptului că adăugați energie la elasticul de cauciuc, ceea ce îi crește temperatura.
Ține-o întinsă pentru o vreme, până când revine la temperatura camerei. Acum lasă elasticul să se relaxeze și atinge-l rapid. Acum este mai rece decât temperatura camerei! Serios, încearcă asta pentru tine.
Deci, dacă ai avea un elastic suficient de mare, ai putea folosi acest lucru pentru a-ți răci casa? Stai puțin, vei spune: În prima etapă, când am întins elasticul, acesta s-a încălzit, apoi s-a răcit la temperatura inițială – și făcând asta, a încălzit aerul. Aveți dreptate. Dar dacă am putea evacua aerul mai cald afară? Atunci ai putea păstra în interior doar faza de răcire.
Tocmai ai reinventat aparatul de aer condiționat!
În loc de o bandă de cauciuc, un aparat de aer condiționat are un fluid numit agent frigorific care circulă într-o buclă închisă din interior spre exterior. Acest fluid are o căldură specifică scăzută – deci își schimbă rapid temperatura – și un punct de fierbere foarte scăzut, transformându-se într-un gaz la aproximativ -15 grade Celsius.
Cum funcționează? Gazul este mai întâi comprimat, ceea ce face ca acesta să se încălzească până la aproximativ 150 de grade. Gazul fierbinte circulă într-un set de serpentine de cupru în exterior, cu un ventilator care suflă deasupra lor, astfel încât gazul pierde energie termică în atmosferă. (Cuprul are, de asemenea, o căldură specifică scăzută).
Apoi este pompat înapoi în interior, unde presiunea este redusă rapid, ceea ce face ca acesta să se dilate și să se răcească instantaneu până la aproximativ 40 de grade. În timp ce fluidul, acum rece, circulă prin serpentinele interioare, un ventilator suflă aer cald din interior peste el, încălzind din nou fluidul și răcind aerul din interior în acest proces. Pe măsură ce circulă, sistemul preia practic energia termică din interior și o transportă în exterior.
Apropo, acesta este exact același proces pe care frigiderul dumneavoastră îl folosește pentru a vă păstra brânza și sucurile reci. În ambele cazuri, procesul face ca ceva din interior să se răcească și ceva din exterior să se încălzească. Puneți mâna în spatele frigiderului și veți vedea la ce mă refer. Ca să vă amuzăm, iată un tip care a construit un frigider care funcționează cu benzi de cauciuc.
Piramida lui Coandă! Casa multicelulară, soluție la criza de energie!
Pompele de căldură
O pompă de căldură vă răcește casa la fel ca un aparat de aer condiționat: prin circulația unui agent frigorific și prin variația presiunii pentru a-i schimba temperatura, astfel încât ia energia termică dintr-un loc și o pune într-un alt loc.
Așadar, să revenim la marele mister: cum poate o pompă de căldură să crească temperatura aerului din interior într-o zi rece fără a genera de fapt căldură? Simplu: Pur și simplu o puneți în mers invers! De data aceasta, lăsăm refrigerantul cald comprimat să se răcească în interiorul casei pentru a crește temperatura aerului interior. Apoi, gazul rece de joasă presiune se duce afară pentru a se încălzi.
Se încălzește afară? Da. Chiar și într-o zi geroasă, aerul are încă energie termică. Atâta timp cât este peste zero absolut (ceea ce, credeți-mă, este, deoarece este vorba de aproximativ -460 grade Fahrenheit), moleculele de aer sunt în mișcare. Și din moment ce răcim refrigerantul la, să zicem, -15 grade, care este mai mic decât temperaturile de iarnă în majoritatea locurilor, acesta va stoarce energie termică chiar și din aerul friguros.
Bineînțeles, nu poți obține energie pe gratis. Pompele de căldură se bazează pe electricitate pentru a acționa compresorul și ventilatoarele.
Dar dacă aveți panouri solare acasă sau dacă energia electrică din zona dumneavoastră provine chiar și parțial din surse fără emisii de carbon, înlocuirea unui cuptor pe gaz cu o pompă de căldură poate face o mare diferență în reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Și probabil că vă va reduce facturile de utilități în acest proces.