Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 22 Холодильні машини. Кондиціонери. Теплові наноси

Ви дізнаєтесь

- Як працює холодильна машина, кондиціонер

Пригадайте

- Принцип дії теплової машини

Холодильні машини. Вивчаючи особливості теплообміну між тілами, ви побачили, що у природі теплота переходить від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. За звичайних умов теплота самостійно не може переходити від менш нагрітих (холодніших) тіл до більш нагрітих. Про це свідчить і другий закон термодинаміки. Проте всі ви користуєтеся холодильниками, які охолоджують тіла. Як же вони працюють?

Річ у тім, що всі холодильні машини є різновидом теплових машин. У них енергія передається від одного тіла до іншого за рахунок витрат енергії третього тіла, тобто виконання ним роботи. На відміну від інших теплових машин, які виконують роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, у холодильних машинах внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується за рахунок виконання роботи іншим тілом.

Холодильною машиною, або холодильником, називають пристрій, у якому внутрішня енергія забирається в менш нагрітого тіла та передається тілу з більш високою температурою.

Можна вважати, що холодильна машина працює за принципом, «оберненим» до принципу дії теплової машини. Робоче тіло холодильної машини забирає теплоту Q2 від охолоджувача й передає теплоту Q1 нагрівнику, яким

слугує навколишнє середовище (мал. 71). При цьому має місце співвідношення: Q1 = A + Q2, де Q1 — теплота, що передається навколишньому середовищу; A — робота, яка виконується над робочим тілом холодильної машини; Q2 — теплота, забрана від морозильної камери.

Дія побутового холодильника (мал. 72) заснована на властивості рідин при їх кипінні (випаровуванні) поглинати теплоту й віддавати її при конденсації (перетворенні пари знову в рідину). Подібне явище можна спостерігати, якщо протерти руки одеколоном. Рідина швидко випаровується, і при цьому зменшується її внутрішня енергія — відчувається прохолода.

У холодильнику є спеціальна замкнена вигнута трубка-змійовик, усередині якої за допомогою насоса (компресора) циркулює спеціальний зріджений газ (фреон), його називають холодоагентом.

Мал. 71. Принцип дії холодильної машини

Частина цієї трубки-змійовика розташована всередині холодильника, а частина — зовні. Коли рідкий фреон компресором прокачується по трубці-змійовику всередині холодильника (випарника), то він випаровується, перетворюється на газ і забирає теплоту від стінок змійовика, тобто охолоджує їх і весь простір усередині холодильника.

Коли той самий фреон тим же компресором подається в зовнішню частину трубки-змійовика (конденсатор), то він знову перетворюється в рідину (конденсується), віддає тепло, а потім знову надходить у випарник. За допомогою циркуляції холодоагенту в холодильнику постійно підтримується низька температура.

Сьогодні широко використовуються холодильники нового покоління із системою «Без інею» («No frost»), яка запобігає утворенню інею на внутрішніх робочих поверхнях і за якого холодильник не потребує ручного розморожування. У таких холодильниках випарник розміщують у нижній або верхній частині морозильної камери чи за нею. За допомогою турбіни (потужного електромотора з вентилятором) забезпечується циркуляція повітря, яке охолоджується випарником і по спеціальних повітряних каналах подається в морозильну та холодильну камери (мал. 72, б).

У побутових холодильниках підтримується температура від 0 до -6 °С, у морозильних камерах до -20 °С, а у великих промислових холодильниках — до -40 °С. Для отримання низьких температур у лабораторних умовах як охолоджувач використовують рідкий гелій, який за нормального атмосферного тиску кипить за температури -269 °С.

Холодильні машини широко застосовуються у промисловості та побуті. Продукти харчування зберігають у побутових холодильниках і холодильних камерах. Для збереження та транспортування м’ясних і рибних продуктів використовують авторефрижератори, залізничні вагони-рефрижератори (мал. 73) та кораблі-рефрижератори.

Мал. 72. Побутові холодильники: а — фреоновий; б — «No frost»

Мал. 73. Холодильні установки: а — промисловий холодильник; б — залізничний та автомобільний рефрижератори

Кондиціонер. Одним із видів холодильних машин, які сьогодні широко використовуються людиною, є кондиціонер — прилад, що працює за принципом холодильної машини й використовується для охолодження повітря.

За принципом дії кондиціонер схожий на холодильники системи «Без інею».

Кондиціонер складається із зовнішнього та внутрішнього блоків (мал. 74).

Зовнішній блок розміщують назовні будівлі (мал. 74, а). У зовнішньому блоці кондиціонера розташовують зовнішній вентилятор, конденсатор, компресор, регулятор потоку холодильного агенту. Внутрішній блок кондиціонера встановлюється всередині приміщень (мал. 74, б). Він складається з корпусу 1, фільтрів повітря 2, випаровувача 3, регуляторів напряму потоку повітря 4, блоку електронної системи керування 5, вентилятора. Випаровувач виготовляють у вигляді набору пластин або трубок, у яких відбувається випаровування холодильного агенту.

Мал. 74. Кондиціонер: а — зовнішній блок; б — внутрішній блок

Сучасні кондиціонери виготовляють різних розмірів і функціонального призначення. Вони використовуються в побуті та на виробництві. Поширення набувають мобільні кондиціонери, які не потребують встановлення зовнішнього блока й легко переміщуються за потреби.

Теплові насоси. Тепловий насос працює за принципом, «оберненим» принципу дії теплової машини Карно. Уперше схему теплового насоса, що мав практичне значення, запропонував у 1852 р. лорд Кельвін, який назвав цей прилад «помножувачем тепла».

Прикладом теплового насоса є кондиціонер, який працює в режимі обігрівача. При цьому тепловий агент тече в зворотному напрямі, у порівнянні з пропуском охолодження повітря. Тепло відбирається в конденсаторі, розташованому назовні, і передається випаровувачу, нагріваючи повітря у приміщенні. Проте суттєвим недоліком використання кондиціонера як теплового насоса є досить обмежений температурний діапазон його роботи. Потужність обігріву зменшується зі зниженням температури зовнішнього середовища, оскільки стає складніше відбирати тепло. Тому сучасні кондиціонери рекомендується використовувати як теплові насоси за температури повітря не нижчої -5 °С. Нові моделі кондиціонерів працюють на обігрів за температури до -10 °С.

Усе більш популярними як альтернативні джерела теплової енергії стають ґрунтові та водні геотермальні теплові насоси. Принцип їх дії ґрунтується на тому, що труби з рідким тепловим агентом, що не замерзає, розміщують у свердловинах або водоймищах поблизу будівель (мал. 75).

Тепловий агент охолоджується в тепловому насосі (приблизно на 5 °С) і повертається в ґрунт по трубі, де відновлює свою температуру. На вході теплового насоса рідина має більшу температуру, ніж на виході. Отримана різниця теплової енергії передається системі опалення або нагрівачеві води.

Мал. 75. Принцип дії ґрунтового геотермального теплового насосу

У сучасній теплоенергетиці теплові геотермальні насоси розглядаються як потужна альтернатива традиційним системам енергозабезпечення, що використовують теплові машини на природному органічному паливі. Тому одним із пріоритетних напрямів науково-практичних досліджень є створення високоенергетичних теплових насосів.

Підбиваємо підсумки

- Холодильні машини, кондиціонери, теплові насоси є різновидом теплових машин.

- Холодильна машина працює за принципом, «оберненим» до принципу дії теплової машини: робоче тіло холодильної машини забирає тепло Q2 від охолоджувача й передає тепло Q1 нагрівнику, яким слугує навколишнє середовище. При цьому має місце співвідношення:

Q1 = Q2 + A.

- У кондиціонері, так само як і в холодильниках, внутрішня енергія робочого тіла (холодильного агента) зменшується за рахунок виконання роботи іншим тілом (компресором).

- Тепловий насос — це пристрій, який передає тепло від середовища з меншою температурою до середовища з більш високою температурою.

Я знаю, вмію й розумію

1. Що таке холодильна машина? Який принцип її дії?

2. Які пристрої називають кондиціонерами?

3. Які фізичні явища лежать в основі принципу дії кондиціонера?

4. Де використовують кондиціонери в побуті та техніці?

5. Які прилади називають тепловими насосами? За яким принципом він працює?

ПОЯСНІТЬ

1. У чому відмінність принципу дії холодильної та теплової машин?

2. Чому як робоче тіло в холодильних машинах використовують зріджені гази, які киплять за низьких температур?

Перевірте себе (завдання до розділу І)

Рівень А (початковий)

1. Оберіть формулу, за якою визначають кількість теплоти, що необхідна для плавлення твердого тіла (за температури плавлення).

А Q = cm∆t

Б Q = Lm

В Q = qm

Г Q = m

2. На великих теплових електростанціях застосовують…

А двигуни внутрішнього згорання

Б реактивні двигуни

В парові турбіни

Г ядерні реактори

3. Що відбувається з температурою речовини під час її плавлення?

А збільшується

Б зменшується

В не змінюється

Г для одних речовин — збільшується, для інших — зменшується

4. Процес переходу речовини із рідкого агрегатного стану в твердий називається…

А випаровуванням

Б конденсацією

В кристалізацією

Г сублімацією

5. Речовини, які не мають сталої температури плавлення, називають…

А кристалічними

Б аморфними

В монокристалами

Г полікристалами

6. Двигун виконав роботу, яка дорівнює 100 кДж, віддавши при цьому в довкілля 300 кДж теплоти. Який ККД цього двигуна?

А 30 %

Б 23 %

В 33 %

Г 25 %

Рівень В (середній)

1. За один цикл тепловий двигун виконав роботу, що дорівнює 5 МДж, віддавши при цьому в навколишнє середовище 700 кДж теплоти. Скільки тепла отримав двигун на початку циклу?

А 6,95 МДж

Б 5,7 МДж

В 705 кДж

Г 570 кДж

2. Скільки часу триває плавлення твердої кристалічної речовини, яка має графік залежності температури від часу, що зображений на малюнку?

А 2 хв

Б 4 хв

В 6 хв

Г 8 хв

3. Яка кількість теплоти виділяється внаслідок конденсації 2 кг водяної пари, якщо її температура 100 °С?

А 4,6 МДж

Б 46 МДж

В 23 000 кДж

Г 46 кДж

Рівень С (достатній)

1. З підвищенням температури швидкість випаровування зростає. Це зумовлено:

1) збільшенням кількості молекул, що мають енергію, потрібну для виходу з рідини;

2) послабленням сил взаємодії між молекулами.

Виберіть правильні твердження.

А тільки причиною 1

Б тільки причиною 2

В причинами 1 і 2

Г жодною із вказаних причин

2. У калориметрі міститься вода масою 1 кг за температури 30 °С. У калориметр уміщують лід за температури 0 °С. Якою повинна бути маса льоду, щоб він весь розтанув?

3. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб 2 кг води за температури 30 °С нагріти до кипіння та 200 г випарувати?

Рівень D (високий)

1. Яка кількість теплоти необхідна, щоб з льоду масою 5 кг за температури 10 °С одержати воду температурою 100 °С?

2. Автомобіль проїхав 100 км і витратив 6 л бензину. Якою є сила тяги двигуна автомобіля, якщо його ККД 26 %?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити