Почему в холодильнике холодно?
Сейчас модно говорить о божественном. А еще лучше, о мистике. При этом почему-то считается, что такие разговоры - духовны и являются источником высоких чувств. В то время как наука - это приземленный материализм и богохульство. А главное, скука смертная.
Смею заверить, что это не так. Во-первых, для того, чтобы понимать, воспринимать, а тем более получать удовольствие от разговоров о божественном (независимо от исповедуемой религии), надо это божественное как следует изучить. Вникнуть, так сказать. Чтобы, по крайней мере, понимать, о чем речь ведется. А во-вторых, наука может быть источником высоких чувств, да еще каких! Но опять же, только для тех, кто изрядно потрудился для того, чтобы понять суть проблемы.
Я, например, одинаково высокие чувства испытывал, и вникая в текст Экклезиаста, и поняв красоту четырех уравнений Максвелла, на которых зиждется вся физика, объясняющая электрические явления, происходящие во Вселенной. А первое и второе начала термодинамики, поверьте, звучат не менее боговдохновенно, чем десять заповедей.
О втором начале термодинамики придется вспомнить для того, чтобы ответить на вопрос статьи. Это фундаментальное положение утверждает, казалось бы, очевидную истину. Тепло всегда переходит от более горячего тела к менее горячему.
На этом принципе основана работа холодильника.
В доэлектрическую эпоху холодильники были теплоизолированными камерами, наполненными льдом. Если в такую камеру ставили теплый предмет, он отдавал свое тепло льду, который при этом таял. Сам же предмет охлаждался.
Вопрос: где брали лед? Помните стишок С.Маршака про мороженое, написанный еще в 1930-е годы:
Летним утром в сундуке
Едет зимний холод -
Синий лед, что на реке
Был весной расколот.
Лед хранили в специальных хранилищах под слоем опилок. Обычно наколотого весной льда хватало до начала осени.
В современном холодильнике роль охладителя вместо льда выполняет специальный газ, хладоагент. При обычном атмосферном давлении он находится в газообразном состоянии. Но, будучи сжат компрессором, он конденсируется в жидкость. Таким образом, двигаясь по закрытому трубопроводу, хладоагент периодически изменяет свое агрегатное состояние. Как известно, при испарении жидкость поглощает тепло, а при конденсации, наоборот, тепло выделяется. Именно на этом и основана работа холодильника.
Испарение хладоагента происходит внутри холодильника, в холодильной камере. При испарении хладоагент отбирает тепло у воздуха, находящегося в холодильной камере, а сам при этом немного нагревается. Второе начало термодинамики неумолимо!
Но в холодильнике имеется компрессор, который постоянно отсасывает газообразный хладоагент из холодильной камеры и сжимает его настолько, чтобы газ сконденсировался и превратился в жидкость. В хорошо нагретую жидкость, потому что, как было сказано, при конденсации выделяется тепло. Поэтому конденсатор, где хладоагент превращается в жидкость, всегда сильно нагрет.
Конденсатор размещают снаружи холодильника (обычно, сзади). Поскольку его температура значительно превышает температуру воздуха в квартире, он отдает излишек тепла окружающему воздуху. Снова срабатывает второе начало термодинамики! Для улучшения процесса теплообмена конденсатор насколько это возможно удлиняют, делают его в виде извилистой трубки, и к тому же снабжают ребрами для улучшения теплообмена. Конденсатор передает окружающему воздуху не только то тепло, которое выделилось при конденсации хладоагента, но и то тепло, которое хладоагент унес из холодильной камеры. Охладившийся хладоагент в виде жидкости снова направляется в холодильную камеру, где испаряется, а испаряясь, забирает тепло у воздуха, находящегося внутри холодильника. Процесс повторяется.
Таким образом, создается своеобразный тепловой насос. С помощью хладоагента, постоянно изменяющего свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и снова на жидкое, тепло из внутренней части холодильника постоянно «перекачивается» наружу. То есть, переходит от менее нагретого тела к более нагретому!
Не является ли это нарушением второго начала термодинамики? Нет, не является. Второе начало термодинамики работает в «закрытых» системах, в которые снаружи не поступает энергия, и все совершается как бы «естественным образом».
Холодильник сконструирован так, что в нем созданы две такие «закрытые» системы: одна - это холодильная камера, другая - конденсатор. Эти системы разнесены и хорошо друг от друга изолированы. А вот для того, чтобы перенести хладоагент из одной системы в другую, энергия требуется. Двигатель компрессора подсоединен к сети, работает и потребляет электричество.
Обычно в качестве хладоагента выбирают вещество, которое при комнатной температуре находится в газообразном состоянии и у которого температура перехода в состояние жидкое не слишком низкая. Такой газ станет жидким при относительно небольшой степени сжатия, которую обеспечивает компрессор домашнего холодильника. В качестве хладоагентов в холодильниках работают и работали аммиак, фреоны или изобутан. Аммиак ядовит и потому в бытовых холодильниках не применяется. Фреоны же, как выяснилось, вредны для окружающей среды. Эти сложные соединения, содержащие в своем составе фтор, попадая в атмосферу, способствуют разрушению тонкого озонового слоя находящегося в стратосфере и предохраняющего нас от гибельного ультрафиолетового излучения. Об озоновом слое можно прочитать в статье «Что такое стратосфера?» от 13.08.2013. Поэтому в настоящее время фреоны изымаются из производства и заменяются более экологическими веществами.
Опубликовано на сайте Топавтор
Полезные ссылки: