Холодильник и кондиционер: принцип работы
⚡ Физика · 8 класс
Что такое холодильная машина
Холодильник и кондиционер — это устройства, которые переносят теплоту от менее нагретого тела к более нагретому. Сам по себе такой перенос невозможен: теплота всегда самопроизвольно идёт от горячего к холодному. Чтобы заставить её двигаться «вверх», в обратную сторону, нужно совершать работу. Эту работу выполняет компрессор, потребляя электрическую энергию.
В основе работы лежат уже знакомые тепловые явления: при испарении жидкость отбирает теплоту, при конденсации — отдаёт её. Вещество, которое прокачивают по системе, называют хладагентом.
Как устроен цикл
Хладагент движется по замкнутому контуру и проходит четыре этапа. Рассмотрим их по шагам.
- В испарителе (внутри камеры холодильника) жидкий хладагент кипит при низкой температуре и отбирает теплоту у продуктов.
- Компрессор сжимает пар, совершая работу; пар сильно нагревается.
- В конденсаторе (решётка сзади холодильника) горячий пар отдаёт теплоту воздуху комнаты и превращается в жидкость.
- Жидкость проходит дроссель, давление падает, и цикл повторяется.
| Узел | Что происходит | Теплота |
|---|---|---|
| Испаритель | кипение хладагента | поглощается |
| Компрессор | сжатие пара | работа извне |
| Конденсатор | конденсация пара | отдаётся |
Энергетический баланс
Теплота, выброшенная в комнату, складывается из теплоты, забранной из камеры, и работы компрессора:
Q_горяч = Q_холод + A
Поэтому кондиционер, работающий на охлаждение, в целом нагревает помещение, если считать вместе с комнатой и улицей: внутрь выбрасывается меньше теплоты, наружу — больше.
Частая ошибка: думать, что холодильник «производит холод». Он не создаёт холод, а переносит теплоту наружу. Если оставить дверцу открытой, кухня не охладится, а нагреется — ведь вся забранная теплота плюс работа мотора возвращаются в комнату.
Почему хладагент так удобен
В качестве хладагента выбирают вещества, которые легко переходят из жидкости в пар и обратно при небольших изменениях давления. При кипении такое вещество забирает много теплоты — вспомни удельную теплоту парообразования. Именно за счёт скрытой теплоты парообразования внутри камеры становится холодно: жидкость, испаряясь, «уносит» теплоту от продуктов.
Когда же пар сжимают и охлаждают снаружи, он конденсируется и отдаёт ту же теплоту воздуху комнаты. Получается, что устройство работает как насос, перекачивающий теплоту, а вовсе не как печка наоборот.
Кондиционер и тепловой насос
Кондиционер устроен так же, как холодильник, только его «камера» — это целая комната. Летом он забирает теплоту из комнаты и выбрасывает её на улицу. Если же цикл запустить в обратную сторону, то же устройство будет забирать теплоту с улицы и отдавать её в комнату — это тепловой насос для отопления зимой.
| Режим | Откуда берёт теплоту | Куда отдаёт |
|---|---|---|
| Охлаждение | из комнаты | на улицу |
| Обогрев | с улицы | в комнату |
Где это применяют
- Бытовые холодильники и морозильные камеры.
- Кондиционеры и тепловые насосы для отопления.
- Промышленные рефрижераторы и склады.
- Транспортные рефрижераторы для перевозки продуктов.
Кратко о главном
- Холодильник переносит теплоту от холодного тела к горячему за счёт работы компрессора.
- Хладагент испаряется внутри камеры (забирает теплоту) и конденсируется снаружи (отдаёт теплоту).
- Справедливо равенство
Q_горяч = Q_холод + A. - Самопроизвольно теплота от холодного к горячему не переходит.