"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Холодильная машина переносит теплоту из холодной камеры в более тёплое помещение, поэтому продукты охлаждаются, а воздух рядом с холодильником нагревается. Главные части машины — испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель. Рабочее тело испаряется, поглощая теплоту, затем сжимается, отдаёт теплоту при конденсации и снова охлаждается. Для переноса теплоты в направлении от холодного к тёплому необходима работа компрессора.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Холодильная машина — устройство, которое переносит теплоту от более холодного тела к более тёплому за счёт совершения работы. В обычном холодильнике она забирает энергию у продуктов и выводит её в комнату. Поэтому холодильник не производит холод, а организует перенос теплоты в направлении, невозможном без затрат энергии.
Рабочее тело — вещество, которое циркулирует внутри машины и переносит теплоту при изменении своего состояния. В разных участках цикла оно может быть жидкостью или паром. Благодаря такому превращению рабочее тело получает теплоту в одном месте, а отдаёт её в другом.
Испаритель — часть машины, где рабочее тело испаряется и забирает теплоту у охлаждаемого пространства. Испарение требует энергии, поэтому эта энергия отнимается у воздуха и продуктов внутри камеры. Испаритель нужен для непосредственного охлаждения внутреннего объёма холодильника.
Конденсатор — часть машины, где рабочее тело конденсируется и отдаёт теплоту окружающей среде. Конденсация означает переход пара в жидкость. Через конденсатор холодильник выводит наружу теплоту, полученную из камеры вместе с энергией компрессора.
Теплота самопроизвольно переходит от нагретого тела к холодному, потому что частицы горячего тела в среднем имеют больше энергии и передают её частицам холодного. Обратный перенос не нарушает закон сохранения энергии, но сам по себе не происходит. Холодильная машина выполняет для этого работу: она использует энергию электросети, чтобы постоянно перемещать теплоту из холодной камеры в более тёплую комнату.
В испарителе рабочее тело находится под пониженным давлением и легко испаряется. Для перехода жидкости в пар нужна теплота, поэтому рабочее тело получает её от стенок испарителя, воздуха и продуктов в камере. Потеряв часть энергии, продукты остывают, а образовавшийся пар уходит к компрессору.
Компрессор засасывает пар и сжимает его. При сжатии частицы пара сближаются, давление возрастает, а температура повышается, поэтому пар становится достаточно горячим для передачи теплоты воздуху комнаты. Работа сжатия не возникает сама: её выполняет электродвигатель, который получает энергию от сети.
В конденсаторе горячий пар соприкасается с более холодным воздухом помещения. Пар отдаёт воздуху теплоту, а после потери энергии превращается в жидкость. В комнату поступает не только теплота из камеры, но и энергия, затраченная электродвигателем на сжатие рабочего тела.
Жидкость проходит через узкое отверстие, или дроссель, где её давление резко уменьшается. Из-за этого рабочее тело охлаждается и оказывается готовым снова испаряться в испарителе. Так образуется замкнутый цикл: испарение, сжатие, конденсация и расширение повторяются, пока работает компрессор.
| Узел или участок цикла | Что происходит с рабочим телом | Тепловой обмен | Роль в работе машины |
|---|---|---|---|
| Испаритель | Жидкость испаряется и превращается в пар | Поглощается теплота из камеры | Охлаждает продукты и воздух |
| Компрессор | Пар сжимается, его давление и температура повышаются | Рабочее тело получает энергию от электродвигателя | Обеспечивает движение и подготавливает пар к отдаче теплоты |
| Конденсатор | Пар превращается в жидкость | Теплота передаётся воздуху помещения | Выводит теплоту из машины |
| Узкое отверстие (дроссель) | Давление жидкости уменьшается, она охлаждается | Существенного подвода теплоты нет | Подготавливает рабочее тело к испарению |
Таблицу удобно читать по ходу движения рабочего тела: от испарителя к компрессору, затем к конденсатору и дросселю. В столбце о тепловом обмене видно, где машина забирает и где отдаёт энергию. Последний столбец показывает назначение каждого узла в общем цикле.
Назовите узел холодильника, в котором рабочее тело получает теплоту от продуктов, и объясните, почему продукты охлаждаются. Нужно определить место, где рабочее тело изменяет состояние с поглощением энергии. Затем следует связать потерю энергии продуктами с уменьшением их температуры.
Ответ: рабочее тело получает теплоту в испарителе, а продукты охлаждаются из-за передачи ему своей теплоты.
Компрессор холодильника выключили, но рабочее тело осталось в системе. Объясните, почему перенос теплоты из камеры наружу прекращается. Наличие вещества в трубках само по себе ещё не означает, что цикл продолжается. Нужно выяснить, какая часть процесса требует постоянного подвода энергии.
Ответ: перенос прекращается, потому что выключенный компрессор не совершает необходимую работу и не обеспечивает циркуляцию рабочего тела.
За цикл холодильная машина забрала у камеры 500 Дж теплоты и получила от электросети 150 Дж энергии. Сколько теплоты она передала помещению? Используем закон сохранения энергии: вся энергия, поступившая в машину, должна выйти из неё в виде теплоты, переданной комнате.
Ответ: помещению передано 650 Дж теплоты.
Ошибка 1. Считать, что холодильник производит холод. Так думают, потому что температура в камере уменьшается, но машина на самом деле удаляет из неё теплоту. Проверка проста: найдите, куда уходит энергия, — она передаётся воздуху комнаты.
Ошибка 2. Путать направление переноса теплоты и говорить, что она поступает из комнаты в камеру. Причина ошибки — внимание только к движению рабочего тела, а не к тепловому обмену. Проверьте себя вопросом: в испарителе теплота поглощается, а в конденсаторе отдаётся.
Ошибка 3. Полагать, что теплота сама переходит из холодной камеры в тёплую комнату. В обычных условиях теплота движется наоборот, поэтому для обратного переноса нужна работа компрессора. Если в объяснении нет энергии электросети, оно неполное.
Ошибка 4. Считать, что помещение получает только теплоту из камеры. К ней добавляется энергия, затраченная на работу компрессора, поэтому Qпом = Qкам + A. При решении задач проверьте, учтена ли работа электродвигателя.
Для понимания холодильной машины нужны знания о теплопередаче, испарении и конденсации. Закон сохранения энергии помогает объяснить, почему теплота, отданная комнате, больше теплоты, забранной из камеры. Эти понятия связывают свойства вещества с работой реального устройства.
Принцип холодильной машины пригодится при изучении тепловых двигателей и тепловых насосов. Он также объясняет работу кондиционеров и других бытовых систем охлаждения. Везде важно различать направление переноса теплоты и энергию, затрачиваемую на этот перенос.
Почему холодильник нагревает воздух в комнате?
Холодильник забирает теплоту из камеры и передаёт её воздуху комнаты через конденсатор. Кроме того, в комнате оказывается энергия, полученная электродвигателем компрессора, поэтому выделяется ещё больше теплоты.
Зачем холодильнику нужен компрессор?
Компрессор сжимает пар рабочего тела и заставляет его циркулировать по замкнутому контуру. При этом повышаются давление и температура пара, благодаря чему он может отдать теплоту более тёплому воздуху.
В каком узле холодильника рабочее тело поглощает теплоту?
Теплота поглощается в испарителе. Там жидкое рабочее тело испаряется и получает энергию от продуктов и воздуха внутри камеры.
Почему холодильник нельзя считать устройством, которое создаёт холод?
Холод не является веществом, которое можно произвести и накопить. Холодильник только переносит теплоту из камеры наружу, поэтому продукты теряют энергию и охлаждаются.
Откуда берётся теплота, которую холодильник отдаёт помещению?
Она складывается из теплоты, забранной из холодильной камеры, и энергии, полученной от электросети для работы компрессора. Поэтому помещение получает больше теплоты, чем было изъято только из продуктов.
§ 30. Холодильные машины
