Физика холодильника

Современные люди привыкли пользоваться благами цивилизации, не особенно задумываясь над внутренним устройством окружающей техники. Философский принцип «черного ящика» - нажал на нужную кнопку и получил известный результат, причем без знания процессов, происходящих внутри того или иного прибора – стал основополагающим для нашего образа жизни. Самые сложные, нетривиальные и даже гениальные научные решения воплощаются в удобные и функциональные формы бытовой и развлекательной техники, освоение которой доступно любому. Но быть простым пользователем, не имеющим ни малейшего представления о принципах работы того же холодильника, нравится не всем. Холодильник устроен действительно интересно и оригинально, а потому познакомиться с физическими основами его способности «вырабатывать холод» будет полезно каждому.

 

 

В основе общего принципа устройства любой холодильной техники лежит один из важнейших разделов физики – термодинамика. Еще в шестнадцатом веке ученые стали обращать пристальное внимание на связь давления, теплоты, работы и энергии. Выяснилось, что теплота – это внутренняя энергия молекул вещества или, проще говоря, скорость, с которой движутся эти молекулы. А холод, таким образом, трактуется как низкая скорость движения молекул, обусловленная небольшой кинетической энергией этих частиц. Термодинамика установила, что работу можно превратить в теплоту, а теплоту – в работу. Это было интуитивно понятно и раньше, но только после точного формульного обоснования термодинамических законов стало возможно конструировать точные тепловые машины, к которым относятся и холодильники. Будучи обыкновенной тепловой машиной, холодильник не «создает холод», а передает, «перекачивает» теплоту от одного тела (воздуха внутри холодильника) к другому (воздуху вне холодильника).

Но сухая физическая теория при всей своей глубине никогда не позволит разобраться в существе практической проблемы с полнотой, которую дает поэтапный анализ принципиальной схемы прибора, построенного на основе какого-либо физического принципа. Холодильник – не исключение, и потому пора перейти от молекул и их абстрактных колебаний к реальным, весомым и зримым компрессорам, испарителям и прочим агрегатам, благодаря которым наша пища остается в сохранности столь долгое время.

В простейшем случае компрессионный холодильник (а именно на этой системе построены все бытовые агрегаты) представляет собой камеру, в которой находится испаритель. Это металлический «ящичек», в котором происходит переход хладагента из жидкого состояния в газообразное. Жидкий хладагент, попадая в испаритель, начинает активно испаряться, отбирая теплоту у единственного доступного источника – металлических стенок испарителя, который, в свою очередь, охлаждает воздух внутри камеры холодильника. Затем пары хладагента высасываются из испарителя компрессором, после чего конденсируются, превращаясь обратно в жидкость. Это происходит под действием высокого давления, создаваемого компрессором (электромотором, обеспечивающим давление). Согласно законам термодинамики, при конденсации под воздействием давления происходит повышение температуры. Нагретый жидкий хладагент (находящийся под высоким давлением, что мешает ему испариться) проходит по извивам трубок теплообменника, расположенных снаружи на задней стенке холодильника, отдавая теплоту окружающему воздуху. Именно на этой стадии происходит удаление из закрытой термодинамической системы холодильника ненужной теплоты (закрытой называют такую систему, которая обменивается с окружающим пространством энергией, но не обменивается веществом).

Хладагент – это вещество, циркулирующее в системе холодильника. Именно хладагент, как ясно из рассмотренной выше принципиальной схемы простейшего холодильника, переносит теплоту от воздуха внутри камеры в окружающую среду. Хладагенты должны отвечать определенным требованиям по своим физическим свойствам. Особенно важно, чтобы температура кипения хладагента была в нужных пределах (они определяются конструктивными особенностями конкретного холодильника), а теплоемкость – достаточно высокой. В современных бытовых холодильниках, после запрета оказавшихся разрушительными для озонового слоя фреонов, используются другие вещества, достаточно хорошо выполняющие функции хладагентов. И если даже они не так хороши в этом качестве, как были хороши фреоны, то для конечного покупателя холодильной техники это не имеет особого значения. Конструкторы компенсируют недостатки хладагентов повышением эффективности работы механической и электронной систем холодильника.

Итак, после полного оборота хладагента по системе холодильный цикл завершается. В дело вступает электроника, которая измеряет температуру в холодильной камере и сравнивает ее с то, что была запрограммирована владельцем холодильника. Если они совпадают, то компрессор на время останавливается, если же нет – продолжает работать, цикл за циклом прогоняя хладагент по трубам теплообменной системы.

Современные холодильники по физическому принципу работы не отличаются от тех, что наводнили рынок в первой половине двадцатого века. Не важно, одна камера в холодильнике или две, имеет ли он морозилку или нет. Не важно даже число компрессоров и независимых контуров охлаждения. Даже препятствующая намерзанию инея на испарителе технология No Frost, на первый взгляд кажущаяся революционной, ни капли не меняет сущности термодинамических процессов, происходящих в холодильнике. Пока не изобретен какой-либо другой, более удобный и эффективный (т.е., имеющий больший коэффициент полезного действия) способ переноса тепла от воздуха внутри холодильной камеры во внешний воздух, компрессионные холодильники останутся нашими верными помощниками.