Ψυγείο
Ένα μηχανικό ψυγείο ή απλά ένα ψυγείο λειτουργεί με την αντίστροφη αρχή μιας θερμικής μηχανής. Επομένως, ένα ψυγείο είναι μια συσκευή που υφίσταται μια διαδικασία μεταφοράς θερμότητας με τη βοήθεια μιας συγκεκριμένης εξωτερικής εργασίας. Στη δήλωσή του για τη λειτουργία ενός ψυγείου, ο Clausius δήλωσε ότι ένα τέλειο ψυγείο δεν μπορεί να λειτουργήσει από μόνο του. Με άλλα λόγια, η λειτουργία ενός συστήματος ψυγείων απαιτεί μια ορισμένη ποσότητα εργασίας που πρέπει να γίνει. Ο συντελεστής απόδοσης δίνει τη σχέση μεταξύ της θερμότητας που απελευθερώνεται από την πηγή ψυχρής θερμοκρασίας και της συνολικής ποσότητας εργασίας που γίνεται στο ψυγείο.
Μηχανικό Ψυγείο
Ένα μηχανικό ψυγείο ή ψυγείο είναι μια μηχανή που λειτουργεί με την αντίστροφη αρχή μιας θερμικής μηχανής. Το ψυγείο αποτελείται κυρίως από το σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας (κρύο) που είναι ένας καταψύκτης, και το τμήμα υψηλότερης θερμοκρασίας (ζεστό) που είναι το περιβάλλον.
Σε ένα μηχανικό ψυγείο, η ουσία εργασίας απελευθερώνει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας (Q2) από την ψυχρή δεξαμενή σε θερμοκρασία (T2), μια ορισμένη ποσότητα εξωτερικής εργασίας W γίνεται στο ψυγείο και θερμότητα (Q1) απελευθερώνεται στη θερμή δεξαμενή ή στο περιβάλλον σε θερμοκρασία T1.
Ένα ψυγείο παίρνει θερμότητα από μια κρύα δεξαμενή και γίνεται εργασία στο ψυγείο, με αποτέλεσμα μια ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται σε μια δεξαμενή θερμότητας. Μαθηματικά, η έκφραση για τη θερμότητα που απελευθερώνεται στο περιβάλλον ή σε μια δεξαμενή θερμότητας μπορεί να δοθεί από,
Q2+ W=Q1
Ένα ψυγείο υποβάλλεται στα ακόλουθα βήματα:
Στο πρώτο βήμα, ένα ψυγείο υφίσταται μια ξαφνική διαστολή του αερίου. το αέριο διαστέλλεται από υψηλή σε χαμηλή πίεση. αυτή η διαδικασία ψύχεται και το μετατρέπει σε μείγμα ατμού και υγρού.
Στο δεύτερο βήμα, το κρύο υγρό στο ψυγείο απορροφά τη θερμότητα από την περιοχή. αυτό το μετατρέπει σε ατμό.
Το τρίτο βήμα αποτελείται από εξωτερική εργασία που εκτελείται στο σύστημα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη θέρμανση του ατμού.
Τέλος, η θερμότητα απελευθερώνεται από τον ατμό στο περιβάλλον του συστήματος.
Η διαδικασία επανέρχεται στην αρχική κατάσταση και ολοκληρώνει έναν κύκλο.
Αντλία θερμότητας
Μια αντλία θερμότητας είναι ένα μηχάνημα που είναι το ίδιο με ένα μηχανικό ψυγείο.
Η διαφορά μεταξύ ψυγείου και αντλίας θερμότητας εξαρτάται από τον σκοπό της συσκευής.
Εάν ο σκοπός της χρήσης ενός ψυγείου είναι η ψύξη ενός τμήματος του συστήματος, για παράδειγμα, μια δεξαμενή υψηλότερης θερμοκρασίας περιβάλλοντος, η συσκευή ονομάζεται ψυγείο.
Από την άλλη πλευρά, εάν ο σκοπός της συσκευής είναι να αντλεί θερμότητα σε ένα τμήμα ενός συστήματος, τότε η συσκευή ονομάζεται αντλία θερμότητας.
Συντελεστής απόδοσης ψυγείου
Σκεφτείτε ένα σύστημα ψυγείου στο οποίο εκτελείται μια W ποσότητα εργασίας, εάν Q2 είναι η ποσότητα θερμότητας που παράγεται από τη δεξαμενή ψυχρής θερμοκρασίας και Q1 είναι η θερμότητα που απελευθερώνεται στο περιβάλλον,
Γνωρίζουμε, Q1 =W + Q2
Ο συντελεστής απόδοσης (α) για ένα ψυγείο δίνεται από,
α =Q2/W,
Ή, α =Q2/(Q2 – Q1).
Η δήλωση του Clausius για το ψυγείο δείχνει ότι ένα ψυγείο δεν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς εξωτερική εργασία.
Λυμένα παραδείγματα
Παράδειγμα 1:Ένα ψυγείο είναι στερεωμένο για να διατηρεί την εσωτερική θερμοκρασία στους 10°C. Εάν η θερμοκρασία δωματίου είναι 34°C, υπολογίστε τον συντελεστή απόδοσης του ψυγείου.
Απάντηση:
Στην ερώτηση, μας δίνονται τα εξής:
Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του ψυγείου είναι,
T1 =10°C,
Ή, 283 K
Στη δεδομένη κατάσταση, η θερμοκρασία δωματίου είναι,
T2 =34°C,
Ή, 307 K
Ο συντελεστής απόδοσης (α) δίνεται από,
=T1/ T2 – T1
=283/(307-283),
α =11,79
Επομένως, ο συντελεστής απόδοσης (α) του συγκεκριμένου ψυγείου είναι 11,79.
Παράδειγμα 2:Ένα ψυγείο είναι στερεωμένο για να διατηρεί την εσωτερική θερμοκρασία στους 8°C. Εάν η θερμοκρασία δωματίου είναι 24°C, υπολογίστε τον συντελεστή απόδοσης (α) του ψυγείου;
Λύση:Στην ερώτηση, μας δίνονται τα εξής:
Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του ψυγείου είναι,
T1 =8°C,
Ή, 281 K
Στη δεδομένη κατάσταση, η θερμοκρασία δωματίου είναι,
T2 =24°C,
Ή, 297 K
Ο συντελεστής απόδοσης (α) δίνεται από,
=T1/ T2 – T1
=281/(297-281),
α =17,56
Επομένως, ο συντελεστής απόδοσης (α) του συγκεκριμένου ψυγείου είναι 17,56.
Παράδειγμα 3:Ένα ψυγείο είναι στερεωμένο για να διατηρεί την εσωτερική θερμοκρασία στους -2°C. Εάν η θερμοκρασία δωματίου είναι 40°C, υπολογίστε τον συντελεστή απόδοσης (α) του ψυγείου;
Λύση:Στην ερώτηση, μας δίνονται τα εξής:
Η θερμοκρασία στο εσωτερικό του ψυγείου είναι,
T1 =-2°C,
Ή, 271 K
Στη δεδομένη κατάσταση, η θερμοκρασία δωματίου είναι,
T2 =40°C,
Ή, 313 K
Ο συντελεστής απόδοσης (α) δίνεται από,
=T1/ T2 – T1
=271/(313-271),
α =6,45
Επομένως, ο συντελεστής απόδοσης (α) του συγκεκριμένου ψυγείου είναι 6,45.
Συμπέρασμα
Το ψυγείο είναι μια συσκευή που υφίσταται μια διαδικασία μεταφοράς θερμότητας από μια πηγή ψυχρής θερμοκρασίας σε μια πηγή υψηλής θερμοκρασίας. Για την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας, ένα ψυγείο απαιτεί μια ορισμένη ποσότητα εξωτερικής εργασίας στο σύστημα.
Η δήλωση του Clausius εξηγεί ότι ένα ψυγείο δεν μπορεί να λειτουργήσει πλήρως χωρίς την εξωτερική του εργασία. Ο συντελεστής απόδοσης δίνει μια σχέση μεταξύ θερμότητας και εργασίας που έχει γίνει.
