Номер 1, страница 315 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 8. Тепловые машины. Второй закон термодинамики. Параграф 56. Принцип действия холодильных машин и тепловых насосов. Вопросы - номер 1, страница 315.

Условие.

1. Расскажите о физических принципах работы холодильника.

Решение.

Работа холодильника основана на использовании обратного термодинамического цикла, который позволяет переносить тепло от охлаждаемого объекта (внутренней камеры) к окружающей среде с более высокой температурой. Этот процесс требует затрат внешней работы, которую выполняет компрессор. В основе лежат физические явления фазовых переходов вещества (хладагента) и зависимость температуры кипения от давления.

Основные компоненты и их функции

Холодильная установка состоит из четырех ключевых элементов, соединенных в замкнутый герметичный контур, по которому циркулирует хладагент (например, фреон):

• Компрессор – это «сердце» системы. Он всасывает газообразный хладагент низкого давления, сжимает его, значительно повышая его давление и температуру.
• Конденсатор – радиатор, обычно расположенный на задней стенке холодильника. В нем горячий сжатый газ отдает тепло в окружающее пространство и, остывая, конденсируется, превращаясь в жидкость высокого давления.
• Дроссель (капиллярная трубка) – длинная и тонкая трубка, которая создает гидравлическое сопротивление. Проходя через нее, жидкий хладагент резко теряет давление, что приводит к его сильному охлаждению и частичному испарению.
• Испаритель – радиатор, находящийся внутри холодильной или морозильной камеры. В нем холодный хладагент низкого давления кипит и испаряется, активно поглощая тепло из внутреннего объема камеры и от продуктов.

Термодинамический цикл работы

Цикл работы холодильника можно разделить на четыре последовательных этапа:

1. Сжатие. Компрессор забирает из испарителя газообразный хладагент с низкой температурой и давлением и сжимает его. Работа, совершаемая компрессором, приводит к росту давления и температуры газа до 70–80°C.

2. Конденсация. Горячий газ под высоким давлением поступает в конденсатор. Поскольку его температура выше температуры воздуха в комнате, он отдает теплоту ($Q_H$) в окружающую среду. При этом газ охлаждается и конденсируется, переходя в жидкое состояние. Давление остается высоким.

3. Дросселирование. Жидкий хладагент под высоким давлением проходит через узкую капиллярную трубку. В процессе такого адиабатного расширения его давление и температура резко падают. На выходе из трубки хладагент представляет собой холодную парожидкостную смесь.

4. Испарение. Эта холодная смесь поступает в испаритель, расположенный внутри холодильника. При низком давлении температура кипения хладагента очень низка (например, -20°C). Он начинает кипеть, отбирая необходимое для этого количество теплоты ($Q_C$) из внутреннего пространства камеры, тем самым охлаждая ее. Полностью испарившись, хладагент в виде холодного газа низкого давления вновь поступает на вход компрессора, и цикл замыкается.

Физические основы

В основе работы холодильника лежат следующие физические принципы:

• Фазовые переходы: Испарение жидкости — это эндотермический процесс, т.е. он идет с поглощением тепла из окружающей среды. Конденсация пара — экзотермический процесс, идущий с выделением тепла. Холодильник использует эти эффекты: поглощает тепло внутри камеры (испарение) и выделяет его наружу (конденсация).
• Зависимость температуры кипения от давления: Понижая давление, мы понижаем температуру кипения жидкости. В испарителе создается низкое давление, чтобы хладагент кипел при отрицательной температуре. Повышая давление в конденсаторе, мы заставляем его конденсироваться при температуре окружающей среды.
• Второй закон термодинамики: Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому. Для осуществления этого процесса холодильная машина совершает работу $W$ за счет электроэнергии. Согласно закону сохранения энергии, количество теплоты, отданное в комнату, больше количества теплоты, забранной из камеры, на величину совершенной работы: $Q_H = Q_C + W$. Это объясняет, почему задняя стенка работающего холодильника нагревается.

Ответ: Физический принцип работы холодильника заключается в осуществлении непрерывного обратного термодинамического цикла (парокомпрессионного цикла) с помощью хладагента. Ключевыми физическими явлениями являются фазовые переходы (испарение и конденсация) и зависимость температуры кипения вещества от давления. За счет совершения внешней работы компрессором, хладагент испаряется при низком давлении и температуре внутри холодильной камеры, поглощая тепло, а затем сжимается и конденсируется при высоком давлении и температуре снаружи, отдавая поглощенное тепло и теплоту от сжатия в окружающую среду. Таким образом, происходит перенос тепла из холодной среды в теплую, что противоречит естественному ходу процессов и становится возможным только благодаря затраченной работе, в полном соответствии со вторым законом термодинамики.