Холодильники

Кріс Вудфорд. Останнє оновлення: 15 вересня 2020 р.

Зараз це крута ідея: металевий ящик, який допомагає їжі довше зберігатись! Ви коли-небудь зупинялися, щоб подумати, як холодильник зберігає прохолоду, спокій і збирання навіть у пухирливу спеку літа? Їжа псується, оскільки всередині неї розмножуються бактерії. Але бактерії ростуть менш швидко при нижчих температурах, тому чим прохолодніше ви зможете зберігати їжу, тим довше вона прослужить. Холодильник - це машина, яка зберігає їжу прохолодною завдяки дуже розумній науці. Весь час ваш холодильник гуде, рідини перетворюються на гази, вода перетворюється на лід, а ваша їжа залишається чудово свіжою. Давайте детальніше розглянемо, як працює холодильник!

Фото: Типовий домашній холодильник або "холодильник" зберігає продукти з температурою приблизно 0–5 ° C (32–41 ° F). Морозильні камери працюють подібним чином, але охолоджуються до значно нижчої температури, як правило, від -18 до -23 ° C (від 0 до -10 ° F). Ця модель має крижину (світло-жовту коробку у верхній частині), яка діє як міні-морозильна камера, яка повинна бути при температурі морозильної камери, а не в холодильнику.

Зміст

Як рухати те, що навіть не видно
Як рухати тепло за допомогою газу
Переміщення більшої кількості тепла шляхом зміни газів у рідини та назад
Цикл нагрівання та охолодження
Як працює холодильник
Чому охолодження вимагає часу?
Дізнатися більше

Як рухати те, що навіть не видно

Припустимо, ваша сьогоднішня справа - випорожнити стайню, повну запаху коня, що пахне. Не найкраща робота, тому вам захочеться зробити це якомога швидше. Ви не зможете перенести все це відразу, тому що їх занадто багато. Щоб швидко виконати роботу, потрібно за один прийом перевезти якомога більше гною. Найкраще використовувати тачку. Складіть гній в курган, виведіть його на вулицю, а потім випорожніть гній у купу на дворі стайні. Кілька таких поїздок дозволяють перекласти гній зсередини стайні назовні.

Перемістити те, що ви можете побачити, легко. Але тепер давайте вам важчу роботу. Ваше нове завдання - перемістити тепло зсередини холодильника назовні, щоб зберегти їжу свіжою. Як ти можеш перенести те, чого не бачиш? Цього разу не можна використовувати тачку. Мало того, ви не можете відкрити двері, щоб потрапити до спеки всередині, або ви знову пустите тепло назад. Ваша місія - постійно відводити тепло, не відкриваючи дверей жодного разу. Хитра проблема, так? Але це неможливо - принаймні ні, якщо ви розумієте науку про рідини та гази.

Як рухати тепло за допомогою газу

Давайте мить ступимо набік і подивимося, як поводяться гази. Якщо ви коли-небудь накачували шини на велосипеді, ви будете знати, що велосипедний насос незабаром стає досить теплим. Причина в тому, що гази нагріваються при стисненні (стисканні) їх. Щоб шина витримувала вагу велосипеда і вашого тіла, вам потрібно втискати в неї повітря під високим тиском. Насос робить повітря (і насос, через який він проходить) трохи гарячішим. Чому? Видавлюючи повітря, вам доведеться докладно попрацювати з насосом. Енергія, яку ви використовуєте при накачуванні, перетворюється на потенційну енергію стисненого газу: газ у шині знаходиться під вищим тиском і вищою температурою, ніж прохолодне повітря навколо вас. Якщо ви стискаєте газ до половини об’єму, теплова енергія, що міститься в його молекулах, заповнює лише половину менше простору, тому температура газу підвищується (він стає більш гарячим).

Ілюстрація: Гази нагріваються, коли ви стискаєте їх на менший об’єм, тому що вам доводиться працювати, щоб зблизити їх енергетичні молекули ближче. Наприклад, коли ви надуваєте велосипедну шину, насос всмоктує повітря і видавлює його в менше місця. Це змушує його молекули (червоні краплини) разом і змушує його нагріватися.

Переміщення більшої кількості тепла шляхом зміни газів у рідини та назад

Якщо у вас є винахідливий розум, ви, напевно, можете собі уявити, як викручувати якусь штуку, схожу на насос, яка надуває велосипедну шину в одному місці, а потім здуває її в інше місце, яке рухатиме тепло між ними. Хоча це незграбна ідея, і ми не можемо так сильно пересувати тепло: нам знадобиться жахлива кількість газу, для одного. Однак ми могли б переміщати пристойну кількість тепла, дозволяючи газу розширюватися і стискатися набагато більше, щоб він перетворювався в рідину і назад - іншими словами, змінюючи його в інший стан речовини.

Як би це працювало? Подивіться, що відбувається з аерозольним балончиком, який містить рідину, що зберігається під тиском. Коли ви розпилюєте аерозоль на руку, ви, напевно, помітили, що там дуже холодно. Це частково тому, що частина рідини охолоджується і випаровується (перетворюється на газ), поки вона залишає балончик. Але це також тому, що частина рідини потрапляє на вашу теплу шкіру і випаровується в цей момент: вона перетворюється на газ, викрадаючи тепло з вашого тіла - і це робить вашу шкіру більш прохолодною. Це говорить нам про те, що дозволяти рідинам розширюватися і перетворюватися на гази є дуже ефективним способом відведення тепла від речей. Це не є великим сюрпризом: це те, як працює пітливість - і чому собаки стискають язик, щоб охолонути у спекотні дні.

Фото: Рідини можуть перетворюватися на гази (а гази остигають), коли ви даєте їм розширитися на більший об’єм. Ось чому аерозольні спреї настільки холодні.

Незважаючи на те, що тверді речовини та рідини займають приблизно однакову кількість простору, гази займають набагато більше місця, ніж обидва. Молекули в твердому тілі або рідині знаходяться досить близько один до одного і притягують одна одну з великою силою. Коли рідина перетворюється на газ або випаровується, деякі з її енергійніших молекул розриваються і відриваються. Для цього потрібно багато енергії, яка відома як прихована теплота випаровування, і ця енергія повинна надходити зсередини самої рідини або чогось поблизу. Іншими словами, перетворення рідини на газ - це спосіб вивести енергію з чогось, тоді як перетворення газу назад на рідину - це спосіб знову виділити цю енергію. Це, по суті, те, як холодильники переміщують тепло від свого холодильного шафи до приміщення зовні. Вони перетворюють рідину на газ всередині шафи охолодження (для набору тепла з накопиченого продукту), викачують його за межі шафи і знову перетворюють назад у рідину (для виділення тепла зовні).

Анімація: Основна ідея того, що іноді називають механічним охолодженням. Усередині холодильника (1) ми перетворюємо рідину на газ, щоб набирати тепло зсередини холодильної шафи (2), викачувати його за межі машини, а потім перетворювати назад у рідину, щоб виділяти там своє тепло (3).

Цикл нагрівання та охолодження

І, несподіваний сюрприз, це майже те, як працює холодильник. Є кілька додаткових деталей, на які варто звернути увагу. Усередині холодильника труба розширюється через сопло, відоме як розширювальний клапан (більш технічно це так званий фіксований отвір). Коли рідкий теплоносій проходить через нього, він різко охолоджується і частково перетворюється на газ. Ця частина науки іноді відома як ефект Джоуля-Томсона (або Джоуля-Кельвіна) для фізиків, які її відкрили, Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889) та Вільяма Томсона (Лорд Кельвін, 1824–1907). Ви не здивуєтесь, дізнавшись, що компресор поза холодильником насправді не є велосипедним насосом! Це насправді електричний насос. Це те, що змушує холодильник гуде раз у раз. Компресор прикріплений до грилеподібного пристрою, який називається конденсатором (своєрідним тонким радіатором позаду холодильника), який викидає небажане тепло.

Фото: Вологе повітря всередині холодильника містить водяну пару. Коли холодильник охолоджується, ця вода перетворюється на лід. Найхолодніша частина вашого холодильника - це крижинка вгорі. Це тому, що розширювальний клапан розміщений безпосередньо біля нього.

Фото: Ось компресор із типового холодильника. Зверніть увагу на труби, що несуть теплоносій з одного боку, а з іншого -. Ви не можете бачити цей пристрій, якщо не відтягнути прилад від стіни, оскільки він закручений навколо спини та внизу. Дивіться більше його фотографій у полі нижче.

Як працює холодильник

Ілюстрація: Ключові частини холодильника та послідовність їх роботи.

Ось що відбувається всередині вашого холодильника, коли ми говоримо! Зліва на малюнку показано, що відбувається всередині шафи охолоджувача (де ви зберігаєте їжу). Пунктирна лінія та рожева область показують задню стінку та ізоляцію, що відокремлюють внутрішню частину від зовнішньої. Права сторона малюнка показує, що відбувається навколо задньої частини холодильника, поза увагою.

Охолоджуюча рідина є рідиною під тиском, коли вона надходить у розширювальний клапан (жовтий). Проходячи, різке падіння тиску змушує його розширюватися, охолоджуватися і частково перетворюватися на газ (подібно до того, як рідкий аерозоль перетворюється на холодний газ, коли ви розпилюєте його з балончика на руку).
Коли теплоносій обтікає шафу охолоджувача (зазвичай навколо труби, закопаної в задній стінці), він закипає і повністю перетворюється на газ, а отже, поглинає і відводить тепло від їжі всередині.
Компресор видавлює теплоносій, підвищуючи його температуру і тиск. Зараз це гарячий газ високого тиску.
Охолоджуюча рідина протікає через тонкі радіаторні труби на задній панелі холодильника, віддаючи своє тепло та охолоджуючись назад у рідину.
Охолоджуюча рідина тече назад через ізольовану шафу до розширювального клапана і цикл повторюється. Тож тепло постійно набирається зсередини холодильника і знову відводиться поза ним.

Фото: Ось так виглядає холодильник насправді, коли ви заглядаєте ззаду. Ви можете побачити великий чорний компресор внизу (який на схемі вище позначений номером 3) і тонку трубу, через яку проходить теплоносій ззаду, щоб розпорошити тепло. Дуже гарна ідея витягувати річ зі стіни кожні кілька місяців і відсмоктувати всю пил, щоб процес охолодження та розподілу тепла працював ефективніше.

Фото: Ось крупним планом. Охолоджуюча рідина протікає через більш товсту, округлу, горизонтальну чорну трубу (що відповідає червоним лініям, позначеним 4 на нашій схемі вище). Безліч тонких проводів, які проходять між трубами, - це прості ребра радіатора, які допомагають відводити тепло від труб і розсіювати його в повітря.

Чому охолодження вимагає часу?

Як і все інше у нашому Всесвіті, холодильники повинні підкорятися фундаментальному закону фізики, який називається збереженням енергії. Суть полягає в тому, що ви не можете створити енергію з нічого або змусити енергію зникнути в повітрі: ви можете коли-небудь перетворювати енергію в інші форми. Це має дуже важливі наслідки для користувачів холодильників.

По-перше, це руйнує міф про те, що ви можете охолодити свою кухню, залишаючи двері холодильника відкритими. Неправда! Як ми щойно бачили, холодильник працює, "всмоктуючи" тепло з холодильної шафи охолоджуючою рідиною, потім викачуючи рідину за межі шафи, де вона виділяє своє тепло. Отже, якщо ви видаляєте певну кількість тепла зсередини холодильника, теоретично, точно така ж кількість з’являється, як тепло навколо спини (на практиці ви отримуєте трохи більше тепла, оскільки двигун не є абсолютно ефективним, і він також віддає тепло). Залиште двері відчиненими, і ви просто переміщуєте теплову енергію з однієї частини кухні в іншу.

Закон збереження енергії також пояснює, чому для охолодження або заморожування їжі в холодильнику або морозильній камері потрібно так багато часу. Їжа містить багато води, яка складається з дуже легких молекул (водень і кисень - два найлегші атоми). Навіть невелика кількість рідини на водній основі (або їжі) містить величезну кількість молекул, кожна з яких потребує енергії для нагрівання або охолодження. Ось чому потрібно пару хвилин, щоб закип’ятити навіть чашку-другу води: молекул нагрівається набагато більше, ніж якби ви намагалися зварити щось на зразок чашки розплавленого заліза або свинцевого металу. Те саме стосується охолодження: потрібно енергія і час, щоб відвести тепло від водянистих рідин, таких як фруктовий сік або їжа. Ось чому заморожування або охолодження їжі займає так багато часу. Справа не в тому, що ваш холодильник або морозильна камера неефективні: просто вам потрібно додати або видалити велику кількість енергії, щоб водянисті речі змінили температуру більш ніж на кілька градусів.

Спробуємо навести на все це кілька приблизних цифр. Кількість енергії, необхідної для зміни температури води, називається її питомою теплоємністю, і вона становить 4200 джоулів на кілограм на градус Цельсія. Це означає, що вам потрібно використовувати 4200 джоулів енергії, щоб нагріти або охолодити кілограм води на один градус (або 8400 джоулів на два кілограми). Отже, якщо ви хочете заморозити літрову пляшку води (вагою 1 кг) від кімнатної температури 20 ° C до морозильної камери −20 ° C, вам знадобиться 4200 × 1 кг × 40 ° C, або 168 000 джоулів. Якщо морозильне відділення вашого холодильника може відводити тепло потужністю 100 Вт (100 джоулів в секунду), це займе 1680 секунд або приблизно півгодини.

Ви бачите, що для охолодження водянистих продуктів потрібно багато енергії. А це, в свою чергу, пояснює, чому холодильники використовують стільки електроенергії. За даними Адміністрації енергетичної інформації США, холодильники використовують близько 7 відсотків усієї побутової електроенергії (приблизно стільки ж, скільки телевізори та супутня техніка, і менше, ніж удвічі менше, ніж кондиціонери, які використовують колосальні 17 відсотків).