Номер 2, страница 227 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Как устроен холодильник и каков принцип его действия?

1. Опровергает ли работа холодильника второй закон термодинамики?
Нет, работа холодильника не только не опровергает второй закон термодинамики, но и является его наглядной демонстрацией. Одна из формулировок второго закона (формулировка Клаузиуса) гласит: невозможен самопроизвольный процесс передачи теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой.
Ключевое слово здесь — «самопроизвольный». Холодильник не является изолированной системой. Для переноса теплоты из холодной внутренней камеры (тело с низкой температурой) в более теплую окружающую среду, то есть в комнату (тело с высокой температурой), холодильник совершает работу. Эту работу выполняет компрессор, который потребляет электрическую энергию. Таким образом, процесс не является самопроизвольным.
Энергетический баланс холодильника выглядит так: количество теплоты $Q_{нагр}$, отданное нагревателю (комнате), равно сумме количества теплоты $Q_{хол}$, забранного у холодильника (внутренней камеры), и работы $\text{A}$, совершенной компрессором:
$Q_{нагр} = Q_{хол} + A$
Поскольку работа $A > 0$, то количество теплоты, выделяемое в комнату, всегда больше, чем количество теплоты, забранное из камеры. Общая энтропия системы «холодильник + комната» при этом возрастает, что полностью соответствует второму закону термодинамики.

Ответ: Нет, работа холодильника не опровергает второй закон термодинамики, так как перенос тепла от холодного тела к горячему происходит не самопроизвольно, а за счет совершения внешней работы, что полностью согласуется с законом.

2. Как устроен холодильник и каков принцип его действия?
Холодильник — это тепловая машина, работающая по обратному циклу Карно (парокомпрессионный цикл). Его основная задача — отводить тепло из изолированной камеры и рассеивать его в окружающей среде.
Основные компоненты холодильника:

• Компрессор — «сердце» системы, которое сжимает хладагент, повышая его давление и температуру.
• Конденсатор — система трубок (обычно на задней стенке), где горячий сжатый хладагент отдает тепло в окружающее пространство и превращается в жидкость.
• Капиллярная трубка (или расширительный клапан) — узкая трубка, при прохождении через которую давление и температура жидкого хладагента резко падают.
• Испаритель — система трубок внутри холодильной или морозильной камеры. Здесь холодный хладагент кипит (испаряется), поглощая тепло из камеры.
• Хладагент (рабочее тело) — вещество (например, фреон или современные изобутаны), которое циркулирует по системе, изменяя свое агрегатное состояние.

Принцип действия (рабочий цикл):

1. Компрессор всасывает газообразный хладагент низкого давления из испарителя и сжимает его. В результате давление и температура газа значительно повышаются.
2. Горячий газ под высоким давлением поступает в конденсатор. Отдавая тепло в окружающую среду (в комнату), газ охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость высокого давления.
3. Жидкий хладагент проходит через капиллярную трубку, где происходит его дросселирование — резкое падение давления и, как следствие, температуры.
4. Холодная смесь жидкости и пара низкого давления поступает в испаритель, расположенный внутри камеры холодильника. Здесь хладагент кипит при низкой температуре, активно поглощая тепло из внутреннего пространства камеры и от продуктов. В результате этого процесса он полностью переходит в газообразное состояние.
5. Газообразный хладагент низкого давления снова поступает в компрессор, и цикл замыкается.

Ответ: Холодильник состоит из компрессора, конденсатора, капиллярной трубки и испарителя, по которым циркулирует хладагент. Его принцип действия основан на фазовых переходах хладагента: он поглощает тепло при испарении внутри камеры и отдает тепло при конденсации снаружи, а компрессор обеспечивает циркуляцию и необходимые изменения давления.

3. Что такое тепловой насос?
Тепловой насос — это устройство, которое переносит тепловую энергию от источника с низкой температурой (например, уличный воздух, грунт, вода) к потребителю с более высокой температурой (например, система отопления дома). По сути, холодильник является частным случаем теплового насоса.
Принцип работы теплового насоса идентичен принципу работы холодильника и основан на обратном цикле Карно. Разница заключается в цели использования.

• Цель холодильника — охладить внутреннее пространство, то есть отобрать у него теплоту $Q_{хол}$. Его эффективность характеризуется холодильным коэффициентом: $\epsilon = \frac{Q_{хол}}{A}$.
• Цель теплового насоса (в режиме обогрева) — нагреть помещение, то есть передать ему теплоту $Q_{нагр}$. Его эффективность характеризуется отопительным коэффициентом (коэффициентом преобразования): $k = \frac{Q_{нагр}}{A}$.

Так как $Q_{нагр} = Q_{хол} + A$, то связь между коэффициентами следующая: $k = \frac{Q_{хол} + A}{A} = \epsilon + 1$.
Это означает, что тепловой насос всегда более эффективен для обогрева, чем обычный электрический обогреватель. Например, при $k=4$ на 1 кВт·ч затраченной электроэнергии насос перенесет в дом 4 кВт·ч тепловой энергии (1 кВт·ч от работы компрессора и 3 кВт·ч из окружающей среды).
Многие современные системы кондиционирования воздуха являются реверсивными тепловыми насосами: летом они работают на охлаждение (как холодильник), а зимой — на обогрев.

Ответ: Тепловой насос — это термодинамическое устройство, которое принудительно (за счет совершения работы) переносит тепло от более холодного тела к более горячему. Холодильник и кондиционер являются разновидностями тепловых насосов.