Номер 1, страница 225, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Анализируйте

В домашнем холодильнике тепло забирается от морозильной камеры и отдается более теплой кухне. Как это согласуется со вторым законом термодинамики о том, что тепло передается только в направлении от горячего тела к холодному?

Анализируйте

Решение

На первый взгляд, работа холодильника действительно кажется противоречащей второму закону термодинамики. Одна из его формулировок (постулат Клаузиуса) гласит, что «невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему».

Ключевым моментом в этой формулировке является словосочетание «единственным результатом». Процесс переноса тепла в холодильнике от холодной морозильной камеры к теплой кухне не является самопроизвольным и не является единственным результатом работы устройства. Этот процесс осуществляется принудительно, с затратой внешней энергии.

Рассмотрим принцип работы холодильника:

1. Внутри холодильной системы циркулирует специальное вещество — хладагент. В испарителе (внутри морозильной камеры) хладагент при низком давлении кипит и испаряется, забирая тепло $Q_{холод}$ из камеры и от продуктов. Это приводит к их охлаждению.

2. Затем компрессор, который работает от электрической сети, засасывает газообразный хладагент и сжимает его. При сжатии над газом совершается работа $\text{A}$, в результате чего его давление и температура значительно повышаются. Температура хладагента становится выше, чем температура воздуха на кухне.

3. Горячий газ под высоким давлением поступает в конденсатор (решетка на задней стенке холодильника). Поскольку хладагент горячее окружающего воздуха, он отдает тепло $Q_{горяч}$ в пространство кухни, охлаждается и конденсируется, превращаясь в жидкость.

4. Жидкий хладагент проходит через расширительный клапан (капиллярную трубку), где его давление и температура резко падают, и он снова готов забирать тепло в испарителе. Цикл замыкается.

Таким образом, передача тепла от холодного объекта (содержимое камеры) к теплому (кухня) происходит не сама по себе, а за счет совершения работы $\text{A}$ компрессором. Энергия, отдаваемая на кухню, равна сумме тепла, забранного из камеры, и работы, совершенной компрессором:

$Q_{горяч} = Q_{холод} + A$

Поскольку процесс передачи тепла «против течения» не является единственным результатом (одновременно с этим совершается работа и потребляется электроэнергия), второй закон термодинамики не нарушается. Холодильник — это тепловая машина, работающая по обратному циклу (тепловой насос), и его функционирование полностью согласуется с законами физики.

Ответ: Работа холодильника не противоречит второму закону термодинамики, потому что перенос тепла от холодной морозильной камеры к более теплой кухне не является самопроизвольным процессом. Он осуществляется принудительно за счет совершения работы компрессором, который потребляет внешнюю энергию (электричество). Второй закон термодинамики запрещает именно самопроизвольную передачу тепла от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе или затрат работы.