Тепловой насос. Холодильник
Автор naturalscience.ru   

Как вы думаете: может ли холодное тело быть нагревателем? Нет? Да! Например, чтобы сохранить начавшее таять мороженое, вы кладете его в холодильник. Мороженое холоднее, чем воздух в комнате, но теплее, чем воздух в холодильнике. Следовательно, мороженое будет нагревать воздух внутри холодильника. Через некоторое время оно отдаст ему некоторое количество теплоты, в результате чего охладится и перестанет таять.

Разберемся, почему холодильник способен охлаждать тела, изучим его принцип действия. Начнем с устройства. Радиатор - черная решетка позади холодильника, испаритель - морозильная камера внутри него и компрессор - насос с электродвигателем. Радиатор и испаритель сделаны из металлической трубки, заполненной легко сжижающимся газом - хладоном.

Компрессор, отсасывая хладон из испарителя, под большим давлением накачивает его в радиатор. Поскольку над хладоном совершается работа, то, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия хладона возрастает. Он нагревается приблизительно до 60-70 °С.

Двигаясь по радиатору, газообразный хладон передает свою теплоту воздуху в комнате и постепенно сам охлаждается почти до комнатной температуры. Поскольку хладон сильно сжат компрессором, то есть находится под давлением, то по мере охлаждения в радиаторе он постепенно становится жидким - конденсируется.

В месте перехода трубки радиатора в трубку испарителя (на рисунке отмечено синим кружком) расположен дроссель - узкое отверстие. Дроссель препятствует свободному циркулированию хладона, то есть способствует наличию высокого давления в радиаторе. Поскольку из испарителя хладон постоянно отсасывается компрессором, то, продавливаясь через дроссель, сжиженный хладон попадает в область низкого давления.

При атмосферном давлении хдадон кипит примерно при +20 °С. В трубке испарителя давление гораздо ниже атмосферного, поэтому хладон кипит там приблизительно при -20 °С. Вспомним, что кипение любой жидкости сопровождается поглощением теплоты. Поэтому трубка испарителя интенсивно "отбирает" теплоту у продуктов, находящихся в морозильной камере. При этом продукты охлаждаются, а хладон в трубке нагревается. Его температура возрастает примерно до -10 °С. Далее хладон попадает в компрессор, и все повторяется.

Если холодильник работает достаточно долго, то внутри его морозильной камеры устанавливается термодинамическое равновесие, и температура (около -10 °С) сохраняется постоянной.

Как видите, холодильник не "вырабатывает" холод, а лишь является тепловым насосом. Он перекачивает теплоту из камеры холодильника наружу и передает ее окружающим телом. В нашем примере теплота, отобранная холодильником у мороженого, будет перенесена к радиатору и, в конечном счете, попадет к воздуху в комнате.


Не удивительно ли: охлаждением холодного тела (мороженого), мы согрели теплое тело - воздух в комнате? Да, непривычно! Однако это явление не противоречит второму закону термодинамики, поскольку теплопередача происходила не самостоятельно, а в результате совершения механической работы тепловым насосом.

Тепловой насос можно использовать не только в качестве холодильника; его можно использовать и в роли обогревателя. Зимой, например, можно отбирать теплоту у морозного воздуха за окном и передавать ее воздуху в комнате. Однако это технологически сложно и экономически невыгодно; дешевле использовать обычное водяное отопление.