How to move heat with a gas
Zróbmy krok w bok i przyjrzyjmy się jak zachowują się gazy. Jeśli kiedykolwiek pompowałeś opony w rowerze, wiesz, że pompka rowerowa robi się całkiem ciepła. Powodem tego jest fakt, że gazy ogrzewają się, gdy je ściskamy. Aby opona mogła utrzymać ciężar roweru i Twojego ciała, musisz wtłoczyć do niej powietrze pod wysokim ciśnieniem. Pompowanie powoduje, że powietrze (i pompka, przez którą przechodzi) staje się nieco gorętsze. Dlaczego? Podczas wyciskania powietrza musisz dość mocno pracować pompką. Energia zużyta podczas pompowania zamienia się w energię potencjalną w sprężonym gazie: gaz w oponie ma wyższe ciśnienie i wyższą temperaturę niż chłodne powietrze wokół nas. Jeśli ściśniesz gaz do połowy jego objętości, energia cieplna zawarta w jego cząsteczkach wypełni tylko połowę przestrzeni, więc temperatura gazu wzrasta (robi się gorętszy).
Opracowanie plastyczne: Gazy stają się gorętsze, gdy kompresujesz je do mniejszej objętości, ponieważ musisz pracować topush ich energetyczne cząsteczki bliżej siebie. Na przykład, kiedy pompujesz oponę rowerową, pompka zasysa powietrze i ściska je w mniejszej przestrzeni. To zmusza jej cząsteczki (czerwone kleksy) do zbliżenia się do siebie i sprawia, że się nagrzewa.
Przenoszenie większej ilości ciepła poprzez zamianę gazów w ciecze i z powrotem
Jeśli masz pomysłowy umysł, prawdopodobnie możesz sobie wyobrazić sklecenie czegoś w rodzaju pompy, która napompuje oponę rowerową w jednym miejscu, a następnie opróżni ją w innym, co spowoduje przenoszenie ciepła pomiędzy tymi dwoma miejscami. Jest to jednak niezdarny pomysł i tak naprawdę nie możemy w ten sposób przenieść dużej ilości ciepła: potrzebowalibyśmy dużo gazu. Moglibyśmy jednak przenieść przyzwoitą ilość ciepła, pozwalając gazowi rozszerzać się i kurczyć w znacznie większym stopniu, tak aby zamienił się w ciecz i z powrotem – innymi słowy, zmieniając go w inny stan materii.
Jak by to działało? Zobacz, co dzieje się z pojemnikiem z aerozolem, który zawiera ciecz przechowywaną pod ciśnieniem. Kiedy rozpylasz aerozol na swoją rękę, prawdopodobnie zauważyłeś, że jest ona bardzo zimna. Dzieje się tak częściowo dlatego, że część cieczy stygnie i paruje (zamienia się w gaz), gdy opuszcza pojemnik. Ale jest tak również dlatego, że część płynu uderza w naszą ciepłą skórę i w tym momencie paruje: zamienia się w gaz, kradnąc ciepło z naszego ciała – i to sprawia, że nasza skóra czuje się chłodniejsza. To mówi nam, że pozwalanie cieczom na rozprężanie się i zamienianie w gazy jest bardzo skutecznym sposobem usuwania ciepła z rzeczy. To nie jest wielka niespodzianka: tak działa pocenie się i dlaczego psy wystawiają języki, aby się ochłodzić w gorące dni.
Zdjęcie: Ciecze mogą zamienić się w gazy (a gazy ochłodzić), gdy pozwolisz im rozszerzyć się do większej objętości. To dlatego aerozole są tak zimne.
Ale ciała stałe i ciecze zajmują zasadniczo taką samą ilość miejsca, gazy zajmują znacznie więcej miejsca niż każde z nich. Cząsteczki ciała stałego lub cieczy znajdują się bardzo blisko siebie i przyciągają się wzajemnie z dużą siłą. Kiedy ciecz zamienia się w gaz lub odparowuje, niektóre z jej bardziej energicznych cząsteczek odrywają się od siebie. Aby tak się stało, potrzeba dużo energii, która jest znana jako utajone ciepło parowania, a energia ta musi pochodzić z samej cieczy lub czegoś w pobliżu. Innymi słowy, zmiana cieczy w gaz jest sposobem na usunięcie energii z czegoś, podczas gdy zmiana gazu z powrotem w ciecz jest sposobem na uwolnienie tej energii ponownie. To jest zasadniczo sposób, w jaki lodówki przenoszą ciepło ze swojej komory chłodzącej do pomieszczenia na zewnątrz. Zamieniają one ciecz w gaz wewnątrz szafy chłodniczej (aby odebrać ciepło od przechowywanej żywności), pompują je na zewnątrz szafy i ponownie zamieniają w ciecz (aby uwolnić ciepło na zewnątrz).
Animacja: Podstawowa idea tego, co czasami nazywa się chłodzeniem mechanicznym. Wewnątrz lodówki (1), zamieniamy ciecz w gaz, aby odebrać ciepło z wnętrza komory chłodzącej (2), wypompować je na zewnątrz urządzenia, a następnie zamienić je z powrotem w ciecz, aby uwolnić tam ciepło (3).
Cykle ogrzewania i chłodzenia
Sprężając gazy w ciecze, możemy uwolnić ciepło; pozwalając cieczom rozszerzyć się w gazy, możemy pochłonąć ciepło. Jak możemy wykorzystać ten przydatny fragment fizyki, aby przenieść ciepło z wnętrza lodówki na zewnątrz? Załóżmy, że zrobiliśmy rurę, która była częściowo wewnątrz lodówki, a częściowo na zewnątrz, i uszczelniliśmy ją tak, aby stanowiła ciągłą pętlę. Przypuśćmy, że wypełniliśmy rurę starannie dobraną substancją chemiczną (taką o niskiej temperaturze wrzenia), która łatwo zmieniała się z powrotem w ciecz i gaz, co jest znane jako chłodziwo lub czynnik chłodniczy. Na zewnątrz lodówki, moglibyśmy mieć coś w rodzaju pompki rowerowej, aby skompresować gaz, uwolnić jego ciepło i zamienić go z powrotem w ciecz. Jeśli substancja chemiczna płynęłaby w kółko w pętli, rozszerzając się, gdy była wewnątrz lodówki i sprężając, gdy była na zewnątrz, stale odbierałaby ciepło z wnętrza i przenosiła je na zewnątrz, jak taśma przenośnika ciepła. W ten sposób można by stale przenosić ciepło z zimnego miejsca (wewnątrz lodówki) do gorętszego (na zewnątrz), co nie jest czymś, na co prawa fizyki pozwalają automatycznie (pozostawione same sobie ciepło przepływa od gorętszych rzeczy do zimniejszych).
I, niespodzianka, to jest prawie dokładnie to, jak działa lodówka. Jest kilka dodatkowych szczegółów wartych odnotowania. Wewnątrz lodówki, rura rozszerza się przez dyszę znaną jako zawór rozprężny (bardziej technicznie, jest to tak zwana stała kryza). Gdy ciekły czynnik chłodzący przechodzi przez nią, gwałtownie się ochładza i częściowo zamienia w gaz. Ta część nauki jest czasami znana jako efekt Joule’a-Thomsona (lub Joule’a-Kelvina) od nazwiska fizyków, którzy go odkryli, Jamesa Prescotta Joule’a (1818-1889) i Williama Thomsona (Lord Kelvin, 1824-1907). Nie będziesz zaskoczony, gdy odkryjesz, że kompresor na zewnątrz lodówki nie jest tak naprawdę pompką rowerową! W rzeczywistości jest to pompa zasilana elektrycznie. To właśnie ona sprawia, że lodówka co jakiś czas szumi. Sprężarka jest przymocowana do urządzenia przypominającego ruszt, zwanego skraplaczem (rodzaj cienkiego grzejnika za lodówką), który odprowadza niechciane ciepło.
Foto: Wilgotne powietrze wewnątrz lodówki zawiera parę wodną. Kiedy lodówka się chłodzi, woda zamienia się w lód. Najzimniejszą częścią lodówki jest pojemnik na lód znajdujący się na górze. Dzieje się tak, ponieważ zawór rozprężny znajduje się tuż obok niego.
Foto: Oto sprężarka z typowej lodówki. Zwróć uwagę na rury doprowadzające czynnik chłodzący z jednej strony i z drugiej. Nie możesz zobaczyć tej jednostki, chyba że odsuniesz urządzenie od ściany, ponieważ jest ona schowana z tyłu i na dole. Zobacz więcej zdjęć w ramce poniżej.