Как работает холодильник?

До изобретения холодильников, сохранение пищевых продуктов налагало серьезные ограничения. Наилучшие варианты заключались в том, чтобы замедлить скоропортящиеся продукты в реках, колодцах или на дне озер. При отсутствии подобной тактики, основные продукты были сильно солеными, пряными, маринованными, консервированными или сушеными, таким образом предотвращался рост бактерий и пища могла долго хранится.

С индустриальной эпохи мы начали понимать термодинамические циклы и через взаимодействие насосов, клапанов и теплообмена, научились охлаждать пищу до произвольных температур, используя холодильный цикл.
В этой статье мы узнаем об этих трех важнейших компонентах и поймем, как они собираются вместе для производства холодильника.

• Какая основная идея холодильника?
  A) Делать холодный воздух и вводить его в отделение для продуктов питания;
  B) Всасывать холодный воздух из комнаты и закачивать его в отделение для продуктов питания;
  C) Удалять тепло из отсека и выкачивать его наружу.

Ответ: холодильник выполняет цикл, чтобы вытащить тепло из отделения для продуктов питания и выкачать наружу.
Объяснение: холодильники постоянно отделяют тепло от воздуха и выпускают его в окружающую среду. Внутреннее отделение холодильника почти изолировано снаружи и потому не происходит теплообмена. Хотя можно сделать теплый воздух холодным, но для этого потребуется много энергии.

Это происходит через три основных компонента:
1. насос, который сжимает газ;
2. клапан, который расширяет газ;
3. радиаторы, которые позволяют газу обмениваться теплом с окружающей средой.

Теперь мы поймем поведение каждого из этих компонентов по аналогии с повседневными явлениями, начиная с насоса компрессора.

Аналогом для действия компрессорного насоса является накачивание баскетбольного мяча. Предположим, вы используете ручной насос, чтобы быстро заполнить мяч воздухом.

• Как только вы закончите, как температура воздуха в баскетбольном мяче сравнима с температурой снаружи?
  A) Холоднее;
  B) Одинаковая температура;
  C) Теплее.

Ответ: воздух в баскетбольном мяче теплее чем снаружи.
Объяснение: подумайте, что происходит, когда вы пытаетесь положить лишнюю одежду в сумку. Каждая дополнительная вещь требует больше усилий, чтобы поместить ее, по мере нарастания вещей. Тот же самый компромисс действует с газом, входящим в баскетбольный мяч. Обратите внимание, что температура - это средняя кинетическая энергия молекул. Таким образом, когда мы добавляем энергию к газу, мы поднимаем кинетическую энергию молекул. При атмосферном давлении газ имеет нормальную плотность, но для накачивания шара нам нужно закачивать воздух в мяч до тех пор, пока он не будет значительно выше атмосферного давления. Газы сопротивляются сжатию таким способом, и это потребует работы, чтобы добавлять новые воздушные молекулы в мяч (именно поэтому становится все труднее накачивать мяч насосом, когда давление слишком высокое). Таким образом, когда мы накачиваем мяч, мы добавляем энергию к газу, поднимая его температуру.

Аналогия того, что происходит с газом на расширительном клапане - это то, что происходит с воздухом в камере с расширяемой стенкой.

Предположим, вы заполняете камеру плотным газом, что нажимает на поршень, который может вдавливаться в слой мягкой глины. Вначале вы наблюдаете, как рычаг поршня постепенно сдавливает глину, прежде чем дойдет до упора.

• Какая температура газа в поршне перед расширением, по сравнению с температурой после?
  A) Температура до < Температуры после;
  B) Температура до = Температуры после;
  C) Температура до > Температуры после.

Ответ: температура до превосходит температуру после.
Объяснение: это, по сути, обратное до накачки баскетбольного мяча. Поскольку поршень может двигаться, то газ может расширятся, нажимая на рычаг поршня и двигая его в глиняный слой.

Для сжатия глины необходимо, чтобы газ преодолевал свойство глины сохранять свою форму. Таким образом, при увеличении объема, энергия газа уменьшается, понижая его температуру.

Наконец, мы рассматриваем горячий воздушный шар в холодной комнате, аналог того, что происходит с газом в радиаторе. Предположим, вы заполняете воздушный шар 40℃ воздухом, и помещайте его в комнату с 30℃.

• Примерно, какая температура воздуха в воздушном шаре после продолжительного времени в комнате?
  Предположим, что объем комнаты намного больше, чем объем шара.
  A) ≈ 30℃;
  B) ≈ 35℃;
  C) ≈ 40℃.

Ответ: температура воздуха в шаре достигнет приблизительно 30 градусов цельсия.
Объяснение: когда два объекта остаются в контакте в течение длительного времени, они имеют тенденцию обмениваться теплом до тех пор, пока они не достигнут равности температур. В случае воздушного шара и комнаты, наполненной воздухом, комната содержит гораздо больше воздуха, чем воздушный шар, поэтому воздушный шар не может его нагревать до какой-либо значительной степени. Таким образом, воздушный шар сбрасывает тепло в комнату до тех пор, пока комната и воздушный шар не будут немного выше начальной температуры в комнате. Может показаться, что воздушный шар не может обменивать тепло с окружающей средой, поскольку он (относительно) непроницаем для газа. Тем не менее, тепло может перемещаться по воздушному шару, и молекулы газа с обеих сторон могут способствовать нагреванию воздушного шара, который затем поднимается молекулами с другой стороны.

Мы видели, как основные устройства холодильника работают по аналогии с общим опытом.

⁍ Насос компрессора нагревает газ и повышает его давление.
⁍ Расширительный клапан снижает температуру газа, а также его давление.
⁍ Радиатор позволяет газу доходить до теплового равновесия с окружающей средой.

Теперь рассмотрим, как этот набор явлений можно использовать для охлаждения содержимого холодильника.

Какое из следующих устройств сделает воздух на выходе холоднее воздуха на входе?

Ответ: правильным есть устройство А.
Объяснение: как мы поняли из накачивания баскетбольного мяча, сжатие газа повышает его температуру. И наоборот, расширение газа может снизить его температуру. Предположим, что воздух поступает на вход из помещения при температуре T_комнаты. В устройстве B воздух сначала проходит через расширительный клапан, понижая его температуру, а также его давление. После перехода к выпускному отверстию через компрессионный насос его температура значительно возрастет T_комнаты < T_выхода, противоположное тому, что мы хотим. Теперь пропустим воздух через устройство A. Воздух из входа сначала сжимается в насосе, повышая его температуру и давление. Когда он проходит через радиатор, он отдает тепло в комнату, пока его температура не вернется к T_комнаты. Тем не менее, он все еще находится под высоким давлением, которое он получил при сжатии. Таким образом, воздух выходит из выпускного отверстия после прохождения через расширительный клапан, возвращая его давление к давлению в помещении, а его температура становится значительно ниже T_комнаты, как раз то, чего мы хотим.

Теперь у нас есть все детали, чтобы понять, как работает цикл охлаждения холодильника.

⁍ Когда мы впервые помещаем пищу в холодильник, она более высокой температуры, чем воздух внутри - что приводит к повышению температуры воздуха внутри холодильника.
⁍ Теплый воздух внутри холодильника подается на холодный газ во внутреннем радиаторе, который переносит тепло наружу.
⁍ Затем этот газ сжимается в насосе, тем самым повышая свою температуру и давление.
⁍ После выхода из компрессора, этот газ охлаждается до комнатной температуры во внешнем радиаторе, поддерживая высокое давление.
⁍ На расширительном клапане этот газ под высоким давлением может расширяться, значительно снижая температуру (ниже, чем у отделения холодильника).

Повторяя этот цикл, тепло непрерывно удаляется изнутри холодильника.

Обратите внимание, что насос компрессора не работает все время. Вместо этого он управляется термостатом.

Термостат включает насос, когда температура внутри холодильника поднимается выше определенного порогового уровня и отключает насос, когда температура падает ниже целевого уровня.

Таким образом, насос задействуется по мере необходимости.

• Предположим, что работающий закрытый холодильник стоит в комнате в течение длительного времени, так что температура в комнате улажена. Что произойдет с температурой комнаты (после долгого периода времени), если дверь холодильника будет открытой?
  A) Упадет;
  B) Останется такой же;
  C) Возрастет.

Ответ: Спанч Боб врал нам, температура комнаты возрастет.
Объяснение: сперва может показаться, что холодильник охладит комнату. В конце концов, это то, что он делает с его содержимым. Однако эта аналогия нарушена - холодильник полагается на то, что отсек и помещение обмениваются теплом только через радиатор. Понимая, как работает холодильник, мы показали, что рабочий механизм состоит в том, чтобы просто переместить тепло из отсека в комнату. Другими словами, процесс охлаждения является транспортированием тепла, а не его сокращением. Тем не менее, насос компрессора является двигателем, и все двигатели генерируют тепло, когда они работают. Таким образом, даже когда дверь закрыта, холодильник вырабатывает некоторое количество тепла U, которое нагревает комнату. Если бы мы открыли дверь, цикл охлаждения по-прежнему был бы нейтральным к теплу, но насос работал бы намного усерднее, ибо он пытается охладить всю комнату. Повышенная работа насоса означает увеличение выработки тепла (U_открыт > U), тем самым добавляя больше тепла в комнату, чем раньше. Таким образом, открытие двери холодильника будет нагревать помещение. Но не позволяйте этому останавливать вас от открытия двери, чтобы получить холодный поток воздуха в лицо.

В этой статье мы проработали фундаментальные явления, лежащие в основе работы холодильника. Затем мы применили эти знания, чтобы понять основные компоненты холодильника и узнали, как они взаимодействуют, чтобы охлаждать пищу.

При этом мы столкнулись с некоторыми аспектами термодинамики:

Быстрое сжатие или расширение газов не допускает значительной передачи тепла. Газовые процессы, которые не обменивают тепло, называются адиабатическими.

Эти и связанные с ними принципы являются основой для различных применений, включая двигатель внутреннего сгорания, приготовления пищи и поддержания приемлемого состояния на Международной Космической Станции.