Номер 39.23, страница 146 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 39. Виды теплопередачи. Глава 6. Тепловые явления - номер 39.23, страница 146.

39.23 [н] Известно, что тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. В холодильнике — наоборот. Нет ли здесь нарушения законов природы? Можно ли, открыв на значительное время дверцу холодильника, остудить воздух в комнате?

Нет ли здесь нарушения законов природы?

Решение
В утверждении о том, что тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому, ключевым является слово «самопроизвольно». Это одна из формулировок второго закона термодинамики (постулат Клаузиуса), который гласит: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему.

Холодильник действительно переносит тепло от холодной внутренней камеры (менее нагретое тело) в более теплую окружающую среду комнаты (более нагретое тело). Однако этот процесс не является самопроизвольным. Для его осуществления совершается работа. Электрический компрессор холодильника, потребляя электроэнергию, сжимает хладагент, заставляя его циркулировать и переносить тепло.

Холодильник представляет собой тепловую машину, работающую в обратном цикле (тепловой насос). Он отбирает количество теплоты $Q_2$ от холодного резервуара (внутренней камеры) и, благодаря совершению над рабочим телом (хладагентом) работы $W$, передает количество теплоты $Q_1$ горячему резервуару (комнате). Согласно первому закону термодинамики (закону сохранения энергии), количество теплоты, отданное комнате, равно сумме теплоты, отобранной из камеры, и работы, совершенной компрессором:

$Q_1 = Q_2 + W$

Поскольку работа $W$ совершается внешней силой (электрической сетью), процесс не является самопроизвольным, и передача тепла «против» градиента температур становится возможной. Таким образом, работа холодильника не нарушает законов природы, в частности, второго закона термодинамики, так как его формулировка относится только к самопроизвольным процессам.

Ответ: Нарушения законов природы нет, так как перенос тепла от холодного тела к горячему в холодильнике не является самопроизвольным процессом, а происходит за счет совершения внешней работы.

Можно ли, открыв на значительное время дверцу холодильника, остудить воздух в комнате?

Решение
Когда дверца холодильника открыта, он продолжает работать, пытаясь охладить пространство перед собой, которое теперь является частью комнаты. Его испаритель (охлаждающие решетки внутри) поглощает теплоту $Q_2$ из воздуха комнаты. Одновременно с этим, его конденсатор (решетка на задней стенке) выделяет теплоту $Q_1$ в ту же самую комнату.

Как было показано ранее, работа холодильника основана на совершении работы $W$ компрессором. Эта работа, совершаемая за счет потребления электроэнергии, в конечном итоге также превращается в тепло и выделяется в окружающую среду (комнату) через радиатор и работающий двигатель компрессора. Согласно закону сохранения энергии, количество теплоты, выделенное в комнату ($Q_1$), больше количества теплоты, поглощенного из нее ($Q_2$), на величину совершенной работы $W$:

$Q_1 = Q_2 + W$

Таким образом, холодильник с открытой дверцей фактически работает как обогреватель. Он забирает тепло из одной части комнаты и выделяет еще большее количество тепла в другую ее часть. Суммарный эффект для комнаты как для замкнутой системы — это выделение в нее дополнительной теплоты, равной работе $W$, совершенной компрессором. В результате воздух в комнате не остынет, а наоборот, нагреется.

Ответ: Нет, остудить воздух в комнате таким образом нельзя. Холодильник с открытой дверцей будет работать как обогреватель, и температура в комнате повысится.