| Il Ciclo di Carnot |
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I motori termici sono macchine cicliche nelle quali il fluido evolvente percorre un ciclo che lo riporta allo stato di origine fornendo nel contempo lavo utile dato dalla differenza tra il lavoro prodotto durante una fase del ciclo e quello assorbito durante l'altra fase.
 Il ciclo inverso di Carnot 
Riportiamo nel piano pressione - volume (p-v) il ciclo inverso di Carnet che è esattamente uguale a quello del motore di Carneot tranne per il verso delle trasformazioni che vengono appunto invertite, Le trasformazioni diventano, rispetto al ciclo di Carnot, rispettivamente: la prima la A-D, la seconda è la D-C, la terza C-B e la quarta B-A. Risulta evidente che cambia, oltre al verso delle trasformazioni, anche il verso del lavoro e del calore che il sistema cambia con l'esterno: il calore QF viene assorbito dal gas dal serbatoio di calore a bassa temperatura TF, il calore QC viene ceduto al serbatoio al serbatoio di calore alla temperatura TC , il Lavoro non viene prodotto dal sistema ma fornito al sistema
Il rendimento delle macchine termiche 
La macchina termica opera in modo ciclico cioè torna sempre nelle condizioni iniziali dopo che si è compiuto del lavoro. Perché questo sia possibile come nel motore di Carnot bisogna prelevare una quantità di calore QC da una fonte termica eseguire un lavoro e cedere ad un pozzo termico una quantità di calore QF.
L'efficienza di una macchina termica detta rendimento è il rapporto tra il lavoro prodotto ed il calore assorbito dalla sorgente calda: lavoro utile prodotto/calore assorbito = L/QC E' evidente che se tutto il calore assorbito fosse trasformato in lavoro la macchina termica avrebbe il rendimento uguale a 1 cioè del 100%, mai raggiungibile in quanto in ogni macchina termica una parte del calore assorbito viene ceduto al pozzo termico o sorgente fredda. Infatti alla fine del ciclo si torna nelle condizioni iniziali e pertanto l'energia interna del sistema torna ad avere lo stesso valore UI. Nel ciclo completo la variazione di energia interna UI - UI = 0. Ricordando il primo principio della termodinamica che dice che il calore Q fornito ad un sistema è uguale alla somma delle variazioni di energia interna VarU del sistema e del lavoro L compiuto dal sistema Q = VarU + L , otteniamo: UI - UI = 0 = Q - L quindi L = Q poiché Q = QC - QF abbiamo L = QC - QF Sostituendo questa espressione nella relazione che definisce il rendimento abbiamo: lavoro utile prodotto/ calore assorbito = L / QC = QC - QF / QC = 1- QF / QC Poiché QF non può essere mai nullo ne consegue che il rendimento non può essere mai uguale ad 1 ma sempre inferiore Macchine frigorifere 
La figura mostra un frigorifero in cui abbiamo un circuito sigillato contenete il gas refrigerante che si chiude sul compressore, che è un motore elettrico che ha la funzione di comprimere il gas in modo da rendere possibile la liquefazione quando viene raffreddato.
Il gas compresso nel compressore in modo adiabatico, cioè senza scambio di calore con l'esterno, aumenta la sua temperatura e arrivando al condensatore, che è quella parte del circuito che rimane all'esterno del frigorifero, cede calore all'ambiente condensandosi a liquido. Il liquido ad alta pressione passa attraverso una valvola con una apertura molto piccola che ha l'effetto di provocare l'espansione del fluido abbassandone notevolmente la temperatura al di sotto di quella interna al frigorifero. Il gas, all'interno dell'evaporatore, sottrae calore raffreddando l'interno del frigorifero. Il gas, caldo, torna quindi al compressore e ricomincia il ciclo.  Lo schema della macchina frigorifera è rappresentato nella figura qui di fianco.
Con QF indichiamo la quantità di calore che, in un ciclo, è sottratta tramite l'evaporatore al frigorifero, mentre con QC indichiamo la quantità di calore che, sempre in un ciclo, tramite il condensatore viene ceduta all'esterno, ad esempio la nostra cucina, e indichiamo con L il lavoro svolto dal compressore mosso da un motore elettrico funzionante grazie all'energia elettrica fornita dal nostro impianto elettrico di casa che riceve l'energia elettrica dalla rete cittadina e che, a sua volta, viene misurata dal nostro contatore elettrico. 
In un ciclo la variazione di energia interna VarU = 0 come stabilisce il primo principio della termodinamica quindi si ha che Q = L, nel caso della macchina frigorifera Q = QF - QC , ed il lavoro L = QF - QC . Nella macchina frigorifera il lavoro è negativo, in quanto fornito dal compressore mosso dal motore elettrico alimentato dall'energia elettrica proveniente da una centrale qualsiasi, per cui avremo L < 0 ovvero QF - QC < 0 quindi QF < QC . Noi consideriamo per capire le relazioni tra i vari componenti fisici del sistema Lavoro, Calore, Temperatura il Lavoro come valore assoluto cioè | L | = | QF - QC | = QC - QF .
Perché un frigorifero sia efficiente deve essere in grado di rimuovere molto calore dal suo interno consumando nel contempo poco lavoro pertanto si definisce il coefficiente di prestazione (e = coefficiente di prestazione) quel valore calcolato come rapporto tra il calore sottratto dall'interno del frigorifero ed il lavoro speso per poterlo sottrarre: e = QF / | L | Sostituendo ad L la sua relazione funzione delle quantità di calore in gioco otteniamo e = QF / | QF - QC | = QF / QC - QF = 1/ (QC / QF )-1 Considerando che in un ciclo di Carnot: QC / QF = TC / TF avremo che il coefficiente di prestazione e = 1/ (QC / QF )-1 = 1 / (TC / TF) -1 Esempio ponendo la temperatura media della nostra cucina TC uguale a 22° C (centigradi) ovvero 295 ° K (temperatura assoluta in gradi Kelvin) e 2° C ( 275° K) quella media interna al frigorifero TF avremo che TC / TF = 1,073 e e = 1 / (TC / TF) -1 = 13,75. Se la temperatura media della nostra cucina TC fosse di 35° C (308° K) e 2° C ( 275° K) quella media interna al frigorifero TF avremo che TC / TF = 1,12 e e = 1 / (TC / TF) -1 = 8,333. L'efficienza di un frigorifero aumenta al diminuire della differenza tra TC e TF perché, come è intuitivo, occorre meno lavoro per togliere calore dall'interno del frigorifero e cederlo all'esterno alla cucina. La Pompa di Calore La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un ambiente a temperatura più bassa ad un altro a temperatura più alta. Essa opera con lo stesso principio del frigorifero che trasferisce calore da un ambiente interno ad uno esterno. Nel ciclo frigorifero non abbiamo dato alcuna importanza al calore ceduto all'aria esterna (cucina), considerandolo come perduto in quanto ciò che interessava era raffreddare l'aria interna al frigorifero. In questa nuova veste il frigorifero è paradossalmente (ma non tanto) anche una stufa perché è in grado di riscaldare l'ambiente in cui si trova. Questo effetto può essere utilizzato perché il calore ceduto all'ambiente può risultare molto utile d'inverno per riscaldare l'ambiente stesso.   La pompa di calore è costituita da un circuito chiuso, percorso da uno speciale fluido (refrigerante) che, a seconda delle condizioni di temperatura e di pressione in cui si trova, assume lo stato di liquido o di vapore.
Il circuito chiuso è costituito da: un compressore, un condensatore, una valvola di espansione, un evaporatore. Il condensatore e l'evaporatore sono costituiti da scambiatori di calore, cioè tubi posti a contatto con un fluido di servizio (che può essere acqua o aria) nei quali scorre il fluido refrigerante. Questo cede calore al condensatore e lo sottrae all'evaporatore. Nel funzionamento il fluido refrigerante, all'interno del circuito, subisce le seguenti trasformazioni: Compressione: il fluido refrigerante allo stato gassoso e a bassa pressione, proveniente dall'evaporatore, viene portato ad alta pressione; nella compressione si riscalda assorbendo una certa quantità di calore. Condensazione: il fluido refrigerante, proveniente dal compressore, passa dallo stato gassoso a quello liquido cedendo calore all'esterno. Espansione: passando attraverso la valvola di espansione il fluido refrigerante liquido si trasforma parzialmente in vapore e si raffredda. Evaporazione: il fluido refrigerante assorbe calore dall'esterno ed evapora completamente. L'insieme di queste trasformazioni costituisce il ciclo della pompa di calore: fornendo energia con il compressore, al fluido refrigerante, questo, nell'evaporatore, assorbe calore dal mezzo circostante e, tramite il condensatore, lo cede al mezzo da riscaldare. Durante il funzionamento della pompa di calore si hanno: un consumo di energia elettrica nel compressore, un assorbimento di calore dall'ambiente circostante nell'evaporatore ed una cessione di calore all'ambiente da riscaldare nel condensatore. Il vantaggio dell'impiego della pompa di calore sta nel fatto che tale sistema consente di fornire più energia (sotto forma di calore, forma di energia poco pregiata) di quella elettrica (forma di energia pregiata) necessaria al funzionamento. 
L'ambiente da cui si estrae calore è la sorgente fredda. Le principali sorgenti fredde sono aria, acqua e terreno. Il fluido vettore da scaldare è detto pozzo caldo; generalmente si tratta di acqua o aria. Nel condensatore il fluido refrigerante cede al pozzo caldo sia il calore prelevato dalla sorgente che l'energia fornita dal compressore. Il calore può poi essere ceduto all'ambiente mediante normali radiatori. In base alla sorgente fredda e al pozzo caldo utilizzato le pompe di calore possono essere: aria - acqua, terra - acqua, acqua - acqua, aria - aria, acqua - aria. Le prestazioni di una pompa di calore variano sensibilmente in funzione delle temperature di sorgente fredda e pozzo caldo. In particolare, più queste temperature sono vicine migliori sono le prestazioni, sia in termini di potenza fornita che in termini di rapporto tra energia termica fornita ed energia elettrica assorbita. Per quanto riguarda le differenti sorgenti fredde l'aria ha il vantaggio di essere disponibile ovunque e di non necessitare di autorizzazioni per il prelievo, contrariamente all'esecuzione di uno scambiatore nel terreno, di un pozzo di presa d'acqua di falda o di una presa d'acqua di lago. L'aria presenta variazioni di temperatura notevoli durante l'inverno, per cui è proprio quando fa freddo che la pompa di calore rende di meno. La Terra è in grado di fornire dell'energia termica, da considerare rinnovabile a tutti gli effetti. Infatti, sia le precipitazioni, sia le reazioni naturali che hanno luogo nel sottosuolo, sia il calore che fluisce dal centro della terra verso la superficie, mantengono il sottosuolo a temperature praticamente costanti durante tutto l'anno (a parte i primissimi metri, che subiscono l'influenza dell'inverno), complice anche l'enorme inerzia termica. Le temperature del sottosuolo, fino a 100-200 m di profondità si aggirano sui 10-15 gradi circa (il gradiente termico superficiale da noi è di ca. 3°C/100m). La tecnica di estrazione del calore consiste nel praticare un foro verticale nel terreno per ca. 80-120 m e nell'inserirvi dei circuiti chiusi percorsi da una soluzione di acqua miscelata con antigelo. La soluzione viene portata alla pompa di calore che la utilizza come sorgente fredda. Grazie al fatto che il terreno è a temperatura costante durante tutto l'anno, la pompa di calore mantiene sempre un'efficienza elevata di lavoro. L'acqua di falda sotterranea o di lago costituisce pure un'interessante sorgente termica. Il suo uso, tuttavia è limitato alle zone in cui è possibile estrarre l'acqua ad un costo interessante (vicino alla riva o in presenza di falde a debole profondità). Anche in questo caso le temperature relativamente costanti, consentono alla pompa di calore di mantiene sempre un'efficienza elevata di lavoro. la pompa di calore mantiene sempre un'efficienza elevata di lavoro. | ||
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