Номер 3, страница 227 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. Что такое тепловой насос?

2. Устройство и принцип действия холодильника

Холодильник — это устройство, предназначенное для поддержания низкой температуры в изолированной камере. Его работа основана на обратном термодинамическом цикле, в ходе которого теплота переносится от более холодного тела (содержимое холодильника) к более горячему (окружающая среда). Этот процесс не может происходить самопроизвольно и требует затрат внешней работы.

Основные компоненты холодильной установки:
1. Компрессор – «сердце» системы, сжимает газообразный хладагент.
2. Конденсатор – радиатор на задней стенке (или в боковых стенках), где хладагент отдает тепло и превращается в жидкость.
3. Испаритель – находится внутри холодильной или морозильной камеры, где хладагент кипит, забирая тепло.
4. Дроссель (капиллярная трубка) – устройство для резкого понижения давления хладагента.
5. Хладагент (фреон) – рабочее вещество с низкой температурой кипения.

Принцип действия (цикл работы):
1. В компрессоре газообразный хладагент низкого давления сжимается. При этом его давление и температура значительно возрастают. Компрессор совершает работу $A'$ над хладагентом.
2. Горячий газ под высоким давлением поступает в конденсатор. Здесь он охлаждается, контактируя с воздухом комнатной температуры, и отдает в окружающую среду теплоту $Q_1$. В процессе охлаждения газ конденсируется, превращаясь в жидкость высокого давления.
3. Жидкий хладагент проходит через дроссель (тонкую капиллярную трубку). Из-за резкого расширения его давление и температура падают. Этот процесс называется дросселированием.
4. Холодная жидкость низкого давления поступает в испаритель, расположенный внутри камеры холодильника. При низкой температуре хладагент начинает кипеть и испаряться, поглощая теплоту $Q_2$ из внутреннего пространства холодильника и от продуктов. В результате камера охлаждается.
5. Превратившись в газ низкого давления, хладагент снова попадает в компрессор, и цикл повторяется.

Таким образом, холодильник непрерывно «перекачивает» тепло изнутри наружу, затрачивая на это электрическую энергию для работы компрессора.

Ответ: Холодильник состоит из компрессора, конденсатора, испарителя и дросселя, по которым циркулирует хладагент. Принцип его действия основан на обратном цикле Карно: хладагент забирает тепло из холодильной камеры при испарении и отдает его в окружающую среду при конденсации. Этот перенос тепла от холодного тела к горячему возможен благодаря работе, совершаемой компрессором.

3. Что такое тепловой насос?

Тепловой насос — это устройство, которое переносит тепловую энергию от источника с низкой температурой (например, от уличного воздуха, грунта или воды) к потребителю с более высокой температурой (например, к системе отопления дома). По своей сути, тепловой насос является «холодильником наоборот». Если основной задачей холодильника является охлаждение внутреннего объема (отбор тепла $Q_2$), то задачей теплового насоса является обогрев помещения (отдача тепла $Q_1$).

Конструктивно и по принципу действия тепловой насос идентичен холодильной машине. Он также состоит из компрессора, конденсатора, испарителя и дросселя. Разница заключается в том, где располагаются теплообменники:
• Испаритель теплового насоса находится снаружи (на улице, в земле), где он забирает тепло $Q_2$ из холодной окружающей среды.
• Конденсатор находится внутри отапливаемого помещения, где хладагент отдает накопленное тепло $Q_1$ воздуху или воде в системе отопления.

Эффективность теплового насоса характеризуется отопительным коэффициентом (или коэффициентом преобразования, COP), который показывает отношение полученного тепла к затраченной работе:
$COP = \frac{Q_1}{A'}$
Поскольку по закону сохранения энергии $Q_1 = Q_2 + A'$, то $COP = \frac{Q_2 + A'}{A'} = 1 + \frac{Q_2}{A'}$. Так как $Q_2 > 0$, отопительный коэффициент всегда больше единицы. На практике он обычно составляет 3–5. Это означает, что на каждый 1 кВт·ч затраченной электроэнергии тепловой насос «перекачивает» в дом 3–5 кВт·ч тепла, что делает его гораздо более эффективным средством отопления по сравнению с прямыми электронагревателями, у которых $COP=1$.

Ответ: Тепловой насос — это термодинамическая установка, которая, работая по принципу обратного холодильного цикла, переносит тепло от низкотемпературного источника (улица, грунт) к высокотемпературному потребителю (система отопления) с целью его обогрева.

4. Выполняются ли первый и второй законы термодинамики при работе

Да, при работе любой тепловой машины, включая холодильники и тепловые насосы, оба начала термодинамики строго выполняются.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии) для тепловых машин утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена, а лишь переходит из одной формы в другую. Для холодильной машины, работающей в цикле, изменение внутренней энергии рабочего тела за цикл равно нулю ($ΔU = 0$). Закон сохранения энергии для холодильника имеет вид:
$Q_1 = Q_2 + A'$
Здесь $Q_1$ — теплота, отданная нагревателю (окружающей среде), $Q_2$ — теплота, полученная от холодильника (внутренней камеры), а $A'$ — работа, совершённая внешними силами (электромотором компрессора). Этот баланс показывает, что количество тепла, выброшенное в комнату, в точности равно сумме тепла, «забранного» из холодильника, и энергии, потребленной компрессором. Закон полностью выполняется.

Второй закон термодинамики в формулировке Клаузиуса гласит: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему. На первый взгляд, холодильник делает именно это. Однако ключевым в формулировке является слово «единственным». Холодильник действительно переносит тепло от холодной камеры к теплой комнате, но это не единственный результат его работы. Для осуществления этого процесса затрачивается внешняя работа $A'$. Именно совершение этой работы делает данный процесс возможным и полностью соответствующим второму закону термодинамики. Без работы компрессора тепло самопроизвольно двигалось бы в обратном направлении — из комнаты в холодильник. Таким образом, работа холодильника не нарушает, а, наоборот, подтверждает второй закон термодинамики.

Ответ: Да, при работе холодильных машин и тепловых насосов и первый, и второй законы термодинамики полностью выполняются. Первый закон выполняется в виде энергетического баланса $Q_1 = Q_2 + A'$. Второй закон выполняется, так как перенос тепла от холодного тела к горячему происходит не самопроизвольно, а за счет совершения внешней работы.