Номер 10, страница 94, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 1. Глава II. Тепловые явления. Параграф 11. Сгорание топлива - номер 10, страница 94.

Условие.

10. Прочитайте следующий текст и выполните задания к нему.

Практически в каждой квартире сегодня работают устройства, которые охлаждают: бытовые холодильники (рис. 11.1) и кондиционеры (рис. 11.2).

Рис. 11.1

Рис. 11.2

В этих устройствах происходят явления, которые, казалось бы, противоречат законам природы: тепло передаётся от холодных продуктов в камере холодильника тёплому воздуху в кухне, а при помощи кондиционера тепло передаётся от прохладного воздуха в комнате тёплому воздуху на улице.

Почему такое возможно? Ведь мы уже знаем, что вследствие теплопередачи тепло передаётся всегда от более нагретого тела к менее нагретому!

На самом деле, конечно, законы природы при работе холодильников и кондиционеров не нарушаются, а изобретательность используются!

Действие холодильников и кондиционеров основано на уже знакомом вам явлении, состоящем в том, что вещество при кипении поглощает некоторое количество теплоты, а при конденсации выделяет такое же количество теплоты.

В холодильниках и кондиционерах используют газы, кипящие при отрицательных значениях температуры по шкале Цельсия, например аммиак, который кипит при температуре около $-33~^{\circ}\text{C}$ при нормальном атмосферном давлении. Эти газы называют хладагентами.

Кипящий хладагент поглощает некоторое количество теплоты, отбирая его от продуктов в охлаждаемой камере холодильника или от воздуха в охлаждаемой кондиционером комнате.

После этого хладагент выводят из охлаждаемой камеры или комнаты и сжимают, увеличивая давление. Как мы уже знаем, при увеличении давления температура кипения повышается. И при некотором давлении температура кипения хладагента становится выше температуры воздуха на кухне или температуры воздуха на улице. И тогда хладагент начнёт конденсироваться. А при конденсации, как мы уже знаем, значительное количество теплоты выделяется.

Чтобы убедиться в том, что холодильник выделяет некоторое количество теплоты, передавая его воздуху, потрогайте (только будьте осторожны!) детали на задней стенке холодильника или его боковые стенки: вы почувствуете, что они горячие или тёплые.

Из кондиционера, охлаждающего воздух в комнате, на улицу также выходит более тёплый воздух, чем воздух снаружи.

Таким образом, мы видим, что и в этом случае на каждом этапе теплопередача происходит от более нагретого тела к менее нагретому — в полном соответствии с законами природы.

«Секрет» действия холодильников и кондиционеров состоит в том, что хладагент кипит в одном месте (охлаждая камеру холодильника или комнату), а конденсируется в другом (нагревая воздух на кухне или на улице). Однако для конденсации хладагента необходимо сжать — именно при этом сжатии он и нагревается выше температуры более тёплого тела (воздуха в кухне или на улице).

Но для сжатия газа необходимо совершать работу! Эту работу совершают электрические компрессоры (нагнетающие насосы) в холодильниках и кондиционерах. Вы, наверное, замечали шум компрессора при работе холодильника (компрессор находится обычно внутри) или шум от наружного блока кондиционера, поэтому в комнате его работа обычно не слышна).

Чтобы компрессоры совершали работу, их необходимо подключать к электрической сети. А энергия в эту сеть поступает с электростанций, большинство которых вырабатывает энергию благодаря сжиганию топлива!

Таким образом, для охлаждения необходимо сжигать топливо. Причём расходы на необходимую для этого электроэнергию в жаркое лето могут оказаться сравнимыми с расходами на отопление зимой!

a) Что общего у бытового холодильника с кондиционером и чем они различаются?

б) Происходит ли внутри бытового холодильника или кондиционера передача тепла от холодного тела к тёплому?

в) От каких тел отбирает тепло при кипении хладагент: в бытовом холодильнике; в кондиционере?

г) Каким телам передаёт тепло при конденсации хладагент: в бытовом холодильнике; в кондиционере?

д) Для чего нужен компрессор в холодильнике и в кондиционере?

е) В жаркий день решили остудить кухню, открыв дверцу холодильника. Как будет при этом изменяться температура воздуха на кухне — повышаться или понижаться?

Решение.

а) Общим для бытового холодильника и кондиционера является принцип действия. Оба устройства работают как тепловые насосы, перенося тепло от более холодного пространства к более тёплому. Это достигается за счёт использования специального вещества — хладагента, который циклически испаряется (кипит) и конденсируется. При кипении хладагент поглощает тепло, охлаждая нужное пространство, а при конденсации — выделяет тепло в окружающую среду. Для сжатия газообразного хладагента и обеспечения его циркуляции в обоих устройствах используется компрессор, работающий от электросети.

Различие между холодильником и кондиционером заключается в их предназначении и масштабе работы. Холодильник предназначен для охлаждения небольшого замкнутого объёма (внутренней камеры) и отводит тепло в помещение, где он находится (на кухню). Кондиционер же охлаждает воздух во всём помещении (комнате) и отводит тепло наружу, на улицу.

Ответ: Общий принцип действия — перенос тепла с помощью фазовых переходов хладагента (кипение и конденсация) и работы компрессора. Различие — в объекте охлаждения (камера холодильника против комнаты) и месте отвода тепла (в кухню против на улицу).

б) Да, общим результатом работы и холодильника, и кондиционера является перенос тепла от холодного тела (содержимое холодильной камеры или воздух в комнате) к тёплому телу (воздух на кухне или на улице). Хотя это кажется противоречащим законам природы, на самом деле прямого переноса тепла от холодного к тёплому не происходит. Процесс разбит на этапы, на каждом из которых тепло передаётся, как и положено, от более нагретого тела к менее нагретому. Сначала тепло передаётся от продуктов (или воздуха в комнате) к более холодному кипящему хладагенту, а затем, после сжатия компрессором, более горячий хладагент отдаёт тепло менее горячему воздуху снаружи. Весь процесс возможен только за счёт совершения внешней работы компрессором.

Ответ: Да, итоговый процесс в этих устройствах заключается в переносе тепла от холодного тела к тёплому, что становится возможным благодаря совершению работы компрессором.

в) Согласно тексту, кипящий хладагент поглощает теплоту от окружающих его тел.

В бытовом холодильнике хладагент, кипя в испарителе (охлаждающих трубках внутри камеры), отбирает тепло от продуктов и воздуха, находящихся внутри холодильной камеры.

В кондиционере хладагент, кипя во внутреннем блоке, отбирает тепло от воздуха, который прогоняется через этот блок из охлаждаемой комнаты.

Ответ: В бытовом холодильнике — от продуктов и воздуха внутри камеры; в кондиционере — от воздуха в охлаждаемой комнате.

г) При конденсации хладагент, предварительно сжатый компрессором и нагретый, отдаёт накопленную теплоту в окружающую среду.

В бытовом холодильнике конденсация происходит в радиаторе (конденсаторе), который обычно расположен на задней стенке. Тепло передаётся воздуху в помещении, где стоит холодильник (на кухне).

В кондиционере конденсация происходит во внешнем блоке, который устанавливается на улице. Тепло передаётся наружному воздуху.

Ответ: В бытовом холодильнике — воздуху на кухне; в кондиционере — воздуху на улице.

д) Компрессор является ключевым элементом в работе холодильника и кондиционера. Его основная задача — сжимать газообразный хладагент, поступающий из испарителя. При сжатии давление и температура хладагента значительно повышаются. Это необходимо для того, чтобы температура хладагента стала выше температуры окружающей среды (воздуха на кухне или на улице). Только в этом случае хладагент сможет отдать тепло этой среде и сконденсироваться, то есть снова перейти в жидкое состояние, замыкая рабочий цикл. Таким образом, компрессор совершает работу, которая позволяет «перекачивать» тепло от холодного пространства к тёплому.

Ответ: Компрессор нужен для сжатия газообразного хладагента, что приводит к повышению его давления и температуры. Это позволяет хладагенту сконденсироваться и отдать тепло более тёплой окружающей среде (на кухне или на улице).

е) Если в жаркий день открыть дверцу работающего холодильника, чтобы остудить кухню, температура воздуха на кухне не понизится, а, наоборот, повысится. Холодильник работает как тепловой насос: он забирает теплоту ($Q_{холод}$) из своей камеры и выделяет её на задней стенке в кухню. При этом количество выделяемой теплоты ($Q_{горяч}$) всегда больше, чем количество поглощённой, так как к ней добавляется энергия, затраченная на работу компрессора ($\text{A}$). То есть, $Q_{горяч} = Q_{холод} + A$. Когда дверца открыта, холодильник забирает теплоту из воздуха кухни ($Q_{холод}$) и выделяет в ту же кухню ещё большее количество теплоты ($Q_{горяч}$). В результате работающий холодильник с открытой дверцей действует как обогреватель, и общая температура в изолированном помещении (кухне) будет расти.

Ответ: Температура воздуха на кухне будет повышаться.