To ciekawe

Gdy zetkniemy dwa ciała o różnych temperaturach, energia cieplna płynie zawsze od ciała o wyższej temperaturze do ciała chłodniejszego, aż temperatury się wyrównają. Ale lodówka jest wyjątkiem – tu różnica temperatur między wnętrzem lodówki a jej otoczeniem zwiększa się po jej włączeniu. Jak to się dzieje? Dowiesz się z tego e‑materiału.

R1FwRY99Zq0nJ

Na zdjęciu przedstawiono fragment kuchni z widoczną lodówką, szafkami wiszącymi na ścianie, zlewem i kuchenką. Widoczny jest również fragment blatu kuchennego i podłoga pokryta terakotą.

Warto przeczytać

Działanie lodówki (chłodziarki) polega na przenoszeniu ciepła od miejsca o niższej temperaturze, z komory chłodniczej, do miejsca o wyższej temperaturze, na zewnątrz lodówki. Oczywiście jest to możliwe, gdy urządzenie jest stale zasilane energią.

Schemat przepływu energii w chłodziarce przedstawiony jest na Rys. 1. Ciepło pobierane jest z wnętrza lodówki, a oddawane do otoczenia. Jednocześnie dostarczana jest energia elektryczna.

R1ep2Xqlfbz01

Rys. 1. Schematyczny rysunek składa się z trzech części umieszczonych jedna pod drugą w pionie. Podstawę stanowi niebieski prostokąt o zaokrąglonych rogach opisany jako Wnętrze lodówki. Od prostokąta poprowadzono w górę pionową, niebieską strzałkę opisaną wielką literą Q z indeksem dolnym mała litera p. Na prawo od strzałki umieszczono opis Ciepło pobrane. Niebieska strzałka wskazuje na środkowy element schematu w kształcie szarego prostokąta. Do jego prawego boku doklejono element w kształcie pionowej rury, zgiętej do dołu i w prawo. Ten element symbolizuje urządzenie cieplne. Element ten dodatkowo podkreślono, otaczając go prostokątną ramką narysowaną linią przerywaną. Do otwartego wylotu rury po prawej stronie skierowano poziomą strzałkę opisaną jako Dostarczona energia. Nad prostokątem znajduje się, wskazująca w górę, czerwona strzałka opisana wielką literą Q z indeksem dolnym małymi literami od. Na prawo od niej umieszczono opis Ciepło oddane. Strzałka wskazuje na zaokrąglony prostokąt w kolorze czerwonym opisany jako Otoczenie lodówki.

Zgodnie z zasadą zachowania energii suma ciepła pobranego i dostarczonej energii w jednym cyklu pracy chłodziarki równa jest ciepłu oddanemu. Możemy zapisać to następująco:

gdzie $Q_{od}$ - ciepło oddane do otoczenia, $Q_{p}$ - ciepło pobrane z komory chłodniczej, a $W$ - dostarczona energia elektryczna.

Od razu widzimy z tego równania, że ciepło oddawane na zewnątrz jest większe od ciepła pobranego z komory chłodniczej. Jakie procesy fizyczne powodują taki przepływ ciepła?

Przyjrzyjmy się schematowi chłodziarki sprężarkowej (Rys. 2.).

RwuhSwvjQvntq

Rys. 2. Rysunek przedstawia schemat działania chłodziarki. Chłodziarka składa się ze sprężarki, pokazanej w postaci sześciokąta, skraplacza (po prawej) i parownika (po lewej), przedstawionymi w postaci zaokrąglonych prostokątów oraz kapilary pokazanej jako wydłużona strzałka, skierowana w lewo. Wszystkie elementy umieszczono na obrysie zaokrąglonego prostokąta, symbolizującego połączenie tych elementów za pomocą rurek, przez które płynie gazowy czynnik chłodzący. Sprężarka jest umieszczona na godzinie 12. Na prawo od niej, na godzinie 3 znajduje się skraplacz, obok którego zapisano „oddawanie ciepła do otoczenia”. Na godzinie 6 znajduje się kapilara, a na godzinie 9 parownik, obok którego zapisano „pobieranie ciepła z komory chłodniczej. Wewnątrz prostokąta narysowano zaokrąglony kwadrat ze strzałkami biegnącymi zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Na godzinie 12 nad kwadratem zapisano „sprężanie”, na godzinie 3 – skraplanie, na godzinie 6 – rozprężanie, na godzinie 9 – parowanie.

Najważniejszą częścią instalacji jest sprężarka, zasilana energią elektryczną. To urządzenie, które pompuje czynnik chłodniczyczynnik chłodniczyczynnik chłodniczy przez cały układ lodówki. Podczas przechodzenia czynnika chłodniczego przez sprężarkę ma on postać gazu. Sprężanie gazu zwiększa jego ciśnienie, a tym samym temperaturę. W takiej formie czynnik chłodniczy trafia do skraplacza, czyli do krętych rur z tyłu lodówki (Rys. 3.). Tu gaz skrapla się, oddając ciepło do otoczenia. Aby powstałą ciecz schłodzić jeszcze bardziej przepuszcza się ją przez bardzo cienką rurkę zwaną kapilarą. To powoduje zmniejszenie ciśnienia i temperatury. Teraz zimna ciecz trafia do parownika, gdzie w warunkach niskiej temperatury i ciśnienia, zaczyna wrzeć. Wrzenie związane jest z pobieraniem ciepła z otoczenia, dlatego parownik umieszczony jest w komorze chłodniczej lodówki. Czynnik chłodniczyczynnik chłodniczyCzynnik chłodniczy w postaci gazu jest kierowany do sprężarki, gdzie cały proces zaczyna się od nowa.

R1R8cexx326dI

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia fragment układu chłodniczego lodówki. Widoczne jest duże metalowe naczynie w kształcie bańki – jest to sprężarka. Za sprężarką znajduje się układ rurek zagiętych w kształt litery U – jest to skraplacz. Na drugim planie widoczni są dwaj mężczyźni naprawiający urządzenie.

Opisany typ chodziarki nazywa się chłodziarką sprężarkową, co sugeruje, że sprężanie gazu odgrywa w całym procesie kluczową rolę. Rzeczywiście tak jest. Zasada działania lodówki polega na tym, aby ciepło pobrane we wnętrzu zostało oddane na zewnątrz. Ciepło przepływa samorzutnie z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Przed przesłaniem gazu do krętych rur z tyłu lodówki (skraplacza), gaz jest sprężany w sprężarce, co zwiększa jego temperaturę do wartości wyższych od temperatury otoczenia. Pozwala to na przypływ energii cieplnej w procesie skraplania do otoczenia.

Słowniczek