frigiderele

de Chris Woodford. Ultima actualizare: 15 septembrie 2020.

Acum iată o idee interesantă: o cutie de metal care vă ajută mâncarea să dureze mai mult! V-ați oprit vreodată să vă gândiți cum un frigider se păstrează răcoros, calm și colectat chiar și în căldura puternică a verii? Mâncarea merge prost, deoarece bacteriile se reproduc în interiorul ei. Dar bacteriile cresc mai puțin repede la temperaturi mai scăzute, deci cu cât puteți păstra mâncarea la rece, cu atât va dura mai mult. Un frigider este o mașină care păstrează mâncarea rece, cu o știință foarte inteligentă. Tot timpul frigiderul tău zumzăie, lichidele se transformă în gaze, apa se transformă în gheață și mâncarea rămâne delicioasă proaspătă. Să aruncăm o privire mai atentă la modul în care funcționează un frigider!

Foto: Un frigider tipic de uz casnic sau „frigider” menține alimentele la o temperatură de aproximativ 0-5 ° C (32-41 ° F). Congelatoarele funcționează într-un mod similar, dar se răcesc la o temperatură mult mai scăzută, de obicei de la -18 la -23 ° C (0 la -10 ° F). Acest model are o cutie de gheață (cutia galben deschis în partea de sus) care acționează ca un mini-congelator, care ar trebui să fie mai degrabă la temperatura congelatorului decât la cele din frigider.

Cuprins

  1. Cum să miști ceva ce nici măcar nu poți vedea
  2. Cum se mută căldura cu un gaz
  3. Mutarea mai multor călduri prin schimbarea gazelor în lichide și înapoi
  4. Ciclul de încălzire și răcire
  5. Cum funcționează un frigider
  6. De ce este nevoie de timp pentru răcire?
  7. Află mai multe

Cum să miști ceva ce nici măcar nu poți vedea

Să presupunem că treburile tale de astăzi sunt de a goli un grajd plin de gunoi de grajd mirositor. Nu este cea mai frumoasă slujbă, așa că veți dori să o faceți cât mai repede posibil. Nu veți putea să-l mutați dintr-o dată, pentru că există prea mult. Pentru a face treaba rapid, trebuie să mutați cât mai mult gunoi de grajd dintr-o dată. Cel mai bun lucru de făcut este să folosiți o roabă. Îngrămădiți gunoiul de grajd în cărucior, rotiți căruța afară și apoi goliți gunoiul de grajd într-o grămadă în curtea grajdului. Cu câteva dintre aceste călătorii, puteți schimba gunoiul de grajd din interiorul grajdului în exterior.

Mutați ceva ce puteți vedea este ușor. Dar acum să vă facem o corvoadă mai grea. Noua dvs. sarcină este să mutați căldura din interiorul unui frigider în exterior pentru a vă menține alimentele proaspete. Cum poți muta ceva ce nu poți vedea? De data aceasta nu puteți folosi o roabă. Nu numai asta, dar nu puteți deschide ușa pentru a intra la căldura din interior, sau veți lăsa din nou căldura să intre din nou. Misiunea ta este să îndepărtezi căldura, continuu, fără a deschide ușa nici măcar o dată. Problemă dificilă, nu? Dar nu este imposibil - cel puțin nu dacă înțelegeți știința lichidelor și gazelor.

Cum se mută căldura cu un gaz

Să trecem lateral o clipă și să privim cum se comportă gazele. Dacă ați pompat vreodată anvelopele pe bicicletă, veți ști că o pompă pentru bicicletă se încălzește în curând. Motivul este că gazele se încălzesc atunci când le comprimați (strângeți). Pentru ca anvelopa să susțină greutatea bicicletei și a corpului, trebuie să strângeți aerul în ea la o presiune ridicată. Pomparea face ca aerul (și pompa prin care trece) să fie un pic mai fierbinți. De ce? Pe măsură ce strângi aerul, trebuie să lucrezi destul de mult cu pompa. Energia pe care o folosiți la pompare este convertită în energie potențială în gazul comprimat: gazul din anvelopă are o presiune mai mare și o temperatură mai mare decât aerul rece din jurul vostru. Dacă strângeți un gaz în jumătate din volum, energia termică pe care o conțin moleculele sale umple doar jumătate din spațiu, astfel încât temperatura gazului crește (se încălzește).

Lucrări de artă: gazele devin mai fierbinți atunci când le comprimă într-un volum mai mic, deoarece trebuie să lucrați pentru a împinge moleculele lor energetice mai aproape. De exemplu, atunci când umflați o anvelopă de bicicletă, pompa aspiră aerul și o strânge în mai puțin spațiu. Acest lucru își forțează moleculele (pete roșii) împreună și îl face să se încălzească.

Mutarea mai multor călduri prin schimbarea gazelor în lichide și înapoi

Dacă aveți un fel de minte inventiv, vă puteți imagina, cumva, să coborâți împreună un fel de armament asemănător unei pompe care umflă o anvelopă de bicicletă într-un loc și apoi îl dezumflă într-un alt loc, ceea ce ar muta căldura între cele două. Totuși, este o idee neîndemânatică și nu putem chiar mișca multă căldură așa: am avea nevoie de o cantitate groaznică de gaz, pentru un singur lucru. Cu toate acestea, am putea muta o cantitate decentă de căldură lăsând un gaz să se extindă și să se contracte mult mai mult, astfel încât să se transforme într-un lichid și să se întoarcă - cu alte cuvinte, schimbându-l într-o stare diferită de materie.

Cum ar funcționa asta? Uite ce se întâmplă cu o cutie de aerosoli, care conține un lichid stocat sub presiune. Când pulverizați un aerosol pe mână, probabil că ați observat că se simte foarte rece. Acest lucru se datorează parțial faptului că o parte din lichid se răcește și se vaporizează (se transformă într-un gaz) pe măsură ce părăsește cutia. Dar, de asemenea, pentru că o parte din lichid îți lovește pielea caldă și se vaporizează în acel moment: se transformă într-un gaz prin furtul căldurii din corpul tău - și asta îți face pielea să se simtă mai rece. Acest lucru ne spune că permiterea lichidelor să se extindă și să se transforme în gaze este un mod foarte eficient de a îndepărta căldura din lucruri. Aceasta nu este o surpriză mare: funcționează transpirația - și de ce câinii își scot limba pentru a se răcori în zilele toride.

Foto: Lichidele se pot transforma în gaze (iar gazele se răcesc) atunci când le lăsați să se extindă într-un volum mai mare. De aceea spray-urile cu aerosoli se simt atât de reci.

Deși solidele și lichidele ocupă în general aceeași cantitate de spațiu, gazele ocupă mult mai mult spațiu decât oricare dintre ele. Moleculele dintr-un solid sau lichid sunt destul de apropiate și se atrag reciproc cu o mare forță. Când un lichid se transformă într-un gaz sau se vaporizează, unele dintre moleculele sale mai energice se despart și se desprind. Este nevoie de multă energie pentru ca acest lucru să se întâmple, care este cunoscut sub numele de căldura latentă de vaporizare, și că energia trebuie să provină din lichidul însuși sau ceva din apropiere. Cu alte cuvinte, schimbarea unui lichid într-un gaz este o modalitate de a elimina energia din ceva, în timp ce schimbarea unui gaz înapoi în lichid este o modalitate de a elibera din nou acea energie. Acesta este în esență modul în care frigiderele mută căldura din dulapul de răcire în camera din exterior. Transformă un lichid într-un gaz în interiorul dulapului de răcire (pentru a prelua căldura din alimentele depozitate), îl pompează în afara dulapului și îl schimbă din nou în lichid (pentru a elibera căldura din exterior).

Animație: ideea de bază a ceea ce uneori se numește refrigerare mecanică. În interiorul unui frigider (1), schimbăm un lichid într-un gaz pentru a prelua căldura din interiorul dulapului de răcire (2), îl pompăm în afara aparatului și apoi îl schimbăm înapoi în lichid pentru a elibera căldura acolo (3).

Ciclul de încălzire și răcire

Și, surpriză surpriză, cam așa funcționează un frigider. Există câteva detalii suplimentare demne de remarcat. În interiorul frigiderului, conducta se extinde printr-o duză cunoscută sub numele de supapă de expansiune (mai tehnic, este ceea ce se numește orificiu fix). Când lichidul de răcire trece prin el, acesta se răcește dramatic și se transformă parțial într-un gaz. Această bucată de știință este cunoscută uneori ca efect Joule-Thomson (sau Joule-Kelvin) pentru fizicienii care au descoperit-o, James Prescott Joule (1818–1889) și William Thomson (Lord Kelvin, 1824–1907). Nu veți fi surprinși să descoperiți că compresorul din exteriorul frigiderului nu este cu adevărat o pompă de bicicletă! Este de fapt o pompă alimentată electric. Lucrul care face ca un frigider să fredoneze din când în când. Compresorul este atașat la un dispozitiv asemănător grătarului numit condensator (un fel de radiator subțire în spatele frigiderului) care expulzează căldura nedorită.

Foto: Aerul umed din interiorul frigiderului conține vapori de apă. Când frigiderul se răcește, această apă se transformă în gheață. Cea mai rece parte a frigiderului este lădița din partea de sus. Asta pentru că supapa de expansiune este plasată chiar lângă ea.

Foto: Iată compresorul dintr-un frigider tipic. Rețineți conductele care transportă lichidul de răcire pe o parte și pe cealaltă. Nu puteți vedea această unitate decât dacă trageți aparatul de perete, deoarece este ascuns în spate și în partea de jos. Vedeți mai multe fotografii ale acestuia în caseta de mai jos.

Cum funcționează un frigider

Lucrări de artă: părțile cheie ale unui frigider și succesiunea modului lor de funcționare.

Iată ce se întâmplă în interiorul frigiderului tău în timp ce vorbim! Partea stângă a imaginii arată ce se întâmplă în interiorul dulapului de răcire (unde vă păstrați mâncarea). Linia punctată și zona roz arată peretele din spate și izolația care separă interiorul de exterior. Partea dreaptă a imaginii arată ce se întâmplă în spatele frigiderului, în afara vederii.

  1. Lichidul de răcire este un lichid sub presiune când intră în supapa de expansiune (galben). Pe măsură ce trece, scăderea bruscă a presiunii îl face să se extindă, să se răcească și să se transforme parțial într-un gaz (la fel cum un aerosol lichid se transformă într-un gaz rece când îl pulverizați dintr-o cutie pe mână).
  2. Pe măsură ce lichidul de răcire curge în jurul dulapului de răcire (de obicei în jurul unei conducte îngropate în peretele din spate), acesta fierbe și se transformă complet într-un gaz și astfel absoarbe și elimină căldura din alimentele din interior.
  3. Compresorul stoarce lichidul de răcire, crescându-i temperatura și presiunea. Acum este un gaz fierbinte, de înaltă presiune.
  4. Lichidul de răcire curge prin conductele subțiri ale radiatorului pe partea din spate a frigiderului, emanând căldura și răcind înapoi într-un lichid în timp ce face acest lucru.
  5. Lichidul de răcire curge înapoi prin dulapul izolat la supapa de expansiune și ciclul se repetă. Deci, căldura este preluată în mod constant din interiorul frigiderului și pusă din nou în afara acestuia.

Foto: Așa arată un frigider în realitate atunci când arunci o privire în spate. Puteți vedea compresorul negru mare în partea de jos (care este numerotat 3 în diagrama de mai sus) și conducta subțire prin care lichidul de răcire curge în spate pentru a dispersa căldura. Este o idee foarte bună să scoateți lucrul de perete la fiecare câteva luni și să aspirați tot praful, astfel încât procesul de răcire și dispersare a căldurii funcționează mai eficient.

Foto: Iată un prim plan. Lichidul de răcire curge prin conducta neagră orizontală mai groasă, rotunjită (care corespunde liniilor roșii, numerotate 4 în diagrama noastră de mai sus). Numeroasele fire subțiri care rulează între țevi sunt aripioare simple ale radiatorului care ajută la transportarea căldurii departe de țevi și disiparea acesteia în aer.

De ce este nevoie de timp pentru răcire?

La fel ca orice altceva din universul nostru, frigiderele trebuie să respecte o lege fundamentală a fizicii numită conservarea energiei. Esențialul este că nu puteți crea energie din nimic sau faceți ca energia să dispară în aer: puteți transforma energia doar în alte forme. Acest lucru are câteva implicații foarte importante pentru utilizatorii de frigidere.

În primul rând, elimită mitul că îți poți răci bucătăria lăsând ușa frigiderului deschisă. Neadevarat! După cum tocmai am văzut, un frigider funcționează prin „aspirarea” căldurii din dulapul răcitorului cu un lichid de răcire, apoi pomparea fluidului în afara dulapului, unde eliberează căldura. Deci, dacă eliminați o anumită cantitate de căldură din interiorul frigiderului dvs., teoretic, reapare exact aceeași cantitate ca și căldura din spate (în practică, veți obține ceva mai multă căldură degajată, deoarece motorul nu este perfect eficient și, de asemenea, emite căldură). Lăsați ușa deschisă și pur și simplu mutați energia termică dintr-o parte a bucătăriei dvs. în cealaltă.

Legea conservării energiei explică, de asemenea, de ce durează atât de mult până la răcirea sau congelarea alimentelor la frigider sau congelator. Alimentele conțin multă apă, care este făcută din molecule foarte ușoare (hidrogenul și oxigenul sunt doi dintre cei mai ușori atomi). Chiar și o cantitate mică de lichid pe bază de apă (sau alimente) conține un număr imens de molecule, fiecare dintre care necesită energie pentru a se încălzi sau a se răci. De aceea, durează câteva minute pentru a fierbe chiar și o ceașcă sau două de apă: există mult mai multe molecule de încălzit decât dacă ați încerca să fierbeți ceva de genul unei cești de fier topit sau metal de plumb. Același lucru este valabil și pentru răcire: este nevoie de energie și timp pentru a elimina căldura din lichidele apoase, cum ar fi sucul de fructe sau alimentele. De aceea congelarea sau răcirea alimentelor durează atât de mult. Nu înseamnă că frigiderul sau congelatorul dvs. sunt ineficiente: pur și simplu trebuie să adăugați sau să eliminați cantități mari de energie pentru ca lucrurile apoase să-și schimbe temperatura cu mai mult de câteva grade.

Să încercăm să punem câteva cifre aspre la toate acestea. Cantitatea de energie necesară pentru a schimba temperatura apei se numește capacitatea de căldură specifică și este de 4200 jouli pe kilogram pe grad celsius. Înseamnă că trebuie să folosiți 4200 de jouli de energie pentru a încălzi sau a răci un kilogram de apă cu un singur grad (sau 8400 de jouli pentru două kilograme). Așadar, dacă doriți să înghețați o sticlă de litru de apă (cântărind 1 kg) de la temperatura camerei de 20 ° C la un congelator −20 ° C, veți avea nevoie de 4200 × 1 kg × 40 ° C sau 168.000 de juli. Dacă compartimentul de congelare al frigiderului dvs. poate elimina căldura la o putere de 100 wați (100 jouli pe secundă), va dura 1680 secunde sau aproximativ o jumătate de oră.

Puteți vedea că este nevoie de multă energie pentru a răci alimentele apoase. Și asta, la rândul său, explică de ce frigiderele folosesc atât de multă energie electrică. Potrivit Administrației SUA pentru Informații Energetice, frigiderele folosesc aproximativ 7% din totalul energiei electrice menajere (aproximativ la fel ca televizoarele și aparatele conexe și mai puțin de jumătate decât aerul condiționat, care folosește 17%).