Номер 3, страница 315 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 56. Принцип действия холодильных машин и тепловых насосов. Глава 8. Тепловые машины. Второй закон термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 3, страница 315.

Условие.

3. В чём заключается принцип работы:

а) кондиционера;

б) теплового насоса?

Решение.

а) кондиционера

Принцип работы кондиционера основан на обратном термодинамическом цикле, который позволяет переносить тепло от более холодного тела (воздух в помещении) к более горячему (уличный воздух). Этот процесс не может протекать самопроизвольно и требует затрат энергии, то есть совершения работы. Кондиционер, по сути, является холодильной машиной.

Основным рабочим веществом в кондиционере является хладагент (например, фреон), который циркулирует по замкнутому контуру и последовательно меняет свое агрегатное состояние. Цикл состоит из четырех ключевых процессов:

1. Испарение. Во внутреннем блоке устройства находится теплообменник-испаритель. Жидкий хладагент под низким давлением поступает в него и, закипая при низкой температуре, превращается в газ. В процессе кипения хладагент поглощает большое количество теплоты из воздуха помещения, тем самым охлаждая его.

2. Сжатие. Газообразный хладагент из испарителя поступает в компрессор (расположен во внешнем блоке). Компрессор сжимает газ, что приводит к значительному повышению его давления и температуры. На работу компрессора затрачивается электрическая энергия.

3. Конденсация. Горячий сжатый газ поступает во второй теплообменник — конденсатор, который также находится во внешнем блоке. Вентилятор обдувает конденсатор уличным воздухом. Так как температура хладагента выше температуры окружающего воздуха, хладагент отдает тепло в атмосферу и конденсируется, переходя в жидкое состояние.

4. Дросселирование. Жидкий хладагент под высоким давлением проходит через расширительное устройство (дроссель), где его давление и температура резко падают. После этого охлажденный жидкий хладагент снова готов к поступлению в испаритель, и цикл повторяется.

Ответ: Принцип работы кондиционера заключается в переносе тепла из охлаждаемого помещения на улицу с помощью рабочего вещества (хладагента), которое меняет свое агрегатное состояние в замкнутом цикле. Этот процесс принудительный и осуществляется за счет совершения внешней работы компрессором.

б) теплового насоса

Принцип работы теплового насоса полностью аналогичен принципу работы кондиционера. Фактически, тепловой насос — это кондиционер, который может работать в режиме обогрева. Его задача — переносить тепло из более холодной среды (улица, грунт, вода) в более теплую (отапливаемое помещение).

В режиме обогрева тепловой насос использует тот же парокомпрессионный цикл, но функциональное назначение теплообменников меняется на противоположное с помощью специального реверсивного клапана:

1. Испарение. Внешний блок теперь работает как испаритель. Хладагент, находясь под низким давлением, кипит при очень низкой температуре, забирая тепло из холодной окружающей среды (например, из зимнего воздуха). Даже при отрицательных температурах в воздухе содержится достаточно тепловой энергии для этого процесса.

2. Сжатие. Компрессор сжимает газообразный хладагент, сильно повышая его давление и температуру.

3. Конденсация. Нагретый до высокой температуры газ поступает во внутренний блок, который теперь выполняет роль конденсатора. Здесь хладагент отдает свое тепло воздуху внутри помещения, нагревая его, и при этом конденсируется, превращаясь в жидкость.

4. Дросселирование. Жидкий хладагент проходит через расширительный клапан, его давление и температура падают, после чего он снова поступает во внешний блок (испаритель).

Ключевое преимущество теплового насоса — его высокая эффективность. Он не производит тепло путем сжигания топлива или преобразования электричества в тепло напрямую, а "перекачивает" уже существующее тепло из окружающей среды. Эффективность оценивается коэффициентом преобразования (COP), который равен отношению количества теплоты, переданного в помещение ($Q_H$), к затраченной на работу компрессора энергии ($W$): $COP = Q_H / W$. Поскольку насос переносит тепло извне ($Q_C$) и добавляет к нему работу компрессора ($Q_H = Q_C + W$), значение COP всегда больше 1 и может достигать 3-5. Это значит, что на 1 кВт затраченной электроэнергии можно получить 3-5 кВт тепловой энергии.

Ответ: Принцип работы теплового насоса основан на обратном цикле Карно, как и у кондиционера. Он осуществляет принудительный перенос тепла от низкотемпературного источника (окружающая среда) к высокотемпературному потребителю (отапливаемое помещение) за счет совершения внешней работы.