Как вы думаете: может ли холодное тело быть нагревателем? Нет? Вы ошибаетесь! Например, чтобы заморозить начавшее таять мороженое, вы кладёте его в «морозилку» холодильника. Мороженое холоднее, чем воздух в комнате, но теплее, чем воздух в морозильной камере холодильника. Следовательно, мороженое будет нагревать воздух внутри холодильника. Через некоторое время оно отдаст воздуху некоторое количество теплоты, в результате чего охладится и перестанет таять.
Разберёмся, почему холодильник способен охлаждать тела, то есть изучим его принцип действия. Начнём с устройства. Радиатор – чёрная решётка позади холодильника, испаритель – морозильная камера внутри него и компрессор – насос с электродвигателем. Радиатор и испаритель сделаны из металлической трубки, заполненной легко сжижающимся газом – хладоном или другим.
 |
Компрессор откачивает хладон из испарителя и под большим давлением накачивает его в радиатор. Поскольку при этом над хладоном совершается механическая работа, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия газообразного хладона возрастает (см. § 6-з). Хладон нагревается приблизительно до 60–70 °С.
Двигаясь снаружи холодильника по радиатору, газообразный хладон передаёт свою теплоту воздуху в комнате и постепенно сам охлаждается почти до комнатной температуры. Поскольку хладон сжат компрессором, то есть находится под давлением, по мере охлаждения в радиаторе он постепенно становится жидким – конденсируется.
В месте перехода трубки радиатора в трубку испарителя (на рисунке отмечено синим кружком) расположен дроссель – узкое отверстие. Дроссель препятствует свободному циркулированию хладона, то есть способствует наличию высокого давления в радиаторе. Поскольку из испарителя хладон постоянно откачивается компрессором, продавливаясь через дроссель, сжиженный хладон попадает в область низкого давления.
При атмосферном давлении жидкий хладон кипит примерно при +20 °С. В трубке испарителя давление ниже атмосферного, поэтому хладон закипает и кипит там примерно при –20 °С, снова превращаясь в газ. Вспомним, что кипение невозможно без постоянного поступления теплоты. Поэтому трубка испарителя интенсивно «отбирает» теплоту у продуктов в морозильной камере. При этом продукты охлаждаются, а хладон в трубке нагревается, и его температура возрастает приблизительно до –10 °С.
Далее хладон снова попадает в компрессор и продолжает циркулировать, становясь то жидким и горячим, то газообразным и холодным. Как видите, холодильник не «вырабатывает» холод, а является тепловым насосом. Он, перемещая хладон по замкнутой системе трубок, «перекачивает» теплоту из морозильной камеры наружу. В нашем примере теплота, «отобранная» испарителем у мороженого, будет перенесена к радиатору и, в конечном счёте, попадёт к воздуху в комнате.
 |
Не удивительно ли: охлаждением холодного тела (мороженого) мы согрели тёплое тело – воздух в комнате? Да, непривычно! Однако это явление не противоречит второму закону термодинамики, поскольку теплопередача происходит не самостоятельно, а в результате совершения механической работы тепловым насосом.
Тепловой насос можно использовать не только в качестве холодильника или кондиционера; его можно использовать и в роли обогревателя. Зимой, например, можно «отбирать» теплоту у морозного воздуха за окном и передавать её воздуху в комнате. В магазинах бытовой техники можно встретить «обратимые» кондиционеры, которые летом перекачивают теплоту из комнаты на улицу, а зимой – с улицы в комнату, обогревая её.