电冰箱

  这是一个很酷的主意:一个可以帮助您延长食物寿命的金属盒!您是否曾经想过 即使在炎热的夏季,冰箱也能保持凉爽,沉稳和收集的状态?食物变质是因为细菌在其中繁殖。但是细菌在较低温度下生长的速度较慢,因此可以保持食物凉爽的时间越长。冰箱是一台通过一些非常聪明的科学使食物保持凉爽的机器。冰箱一直在嗡嗡作响,液体变成气体,水变成冰,食物始终保持新鲜美味。让我们仔细看看冰箱的工作原理!

  如何移动甚至看不到的东西

  假设您今天要做的事情是清空一个充满等级气味的马粪的马stable。这不是最出色的工作,因此您将希望尽快完成。您将无法一次全部移动它,因为它太多了。为了快速完成工作,您需要一次性移动尽可能多的肥料。最好的办法是使用独轮车。将肥料堆放在手推车中,将手推车推到外面,然后在稳定的院子中将肥料倒成一堆。通过几次这样的行程,您可以将肥料从马the内部转移到外部。

  移动您可以看到的东西很容易。但是,现在让我们加倍努力。您的新任务是将热量从冰箱内部转移到外部,以保持食物新鲜。如何移动看不见的东西?这次您不能使用独轮车。不仅如此,而且您无法打开门来获取内部热量,否则您将让热量再次直接流入。您的任务是连续地消除热量,甚至不用打开门即可。棘手的问题,是吗?但这不是不可能的-至少如果您了解液体和气体的科学,那不是不可能的。

  如何用气体传递热量

  让我们侧身走一下,看看气体的行为。如果您曾经骑过自行车上的轮胎,您会知道自行车打气筒 很快就会变热。原因是压缩(挤压)时气体会发热。为了使轮胎支撑自行车和身体的重量,您必须在高压下将空气挤入轮胎。抽气会使空气(及其通过的泵)变热。为什么?挤压空气时,必须非常努力地使用泵。您在抽气中使用的 能量会转换为压缩气体中的势能:轮胎中的气体比周围的冷空气具有更高的压力和温度。如果将气体压缩到一半的体积,则其分子的热能 容器仅填充一半的空间,因此气体的温度会升高(温度会升高)。

  通过将气体转变为液体并返回来转移更多的热量

  如果您具有创新的思维,您可能会想象将某种类似于泵的装置凑在一起,将一个地方的自行车轮胎充气,然后再将另一个地方放气,这将在两个地方之间传递热量。但是,这是一个笨拙的想法,我们不能真正那样大量散发热量:一方面,我们需要大量的气体。但是,我们可以通过让气体更多地膨胀和收缩,从而将其转变为液体然后再次返回,换句话说,通过将其改变为不同的物质状态,来移动适量的热量。

  那将如何工作?看看装有气雾罐的气雾罐会发生什么情况。当您向手上喷洒气雾剂时,您可能已经注意到它感觉真的很冷。这部分是因为一些液体冷却和汽化(轮流气体),因为它离开罐。但这也是因为某些液体撞击到您的温暖皮肤并在那时蒸发:通过从体内吸收热量将其转变为气体,这会使您的皮肤变得凉爽。这告诉我们,让液体膨胀并转变成气体是从物体上去除热量的非常有效的方法。这并不奇怪:这是出汗的方式,以及为什么狗在炎热的天气里伸出舌头以降温。

  尽管固体和液体占据的空间大致相同,但是气体占据的空间比任何一种都要大得多。固体或液体中的分子彼此之间非常接近,并以很大的力相互吸引。当液体变成气体或蒸发时,它的一些高能分子会拉开并破裂。要做到这一点需要大量的能量,这被称为汽化潜热,能量必须来自液体本身或附近的东西。换句话说,将液体变为气体是从某种物质中去除能量的一种方式,而将气体重新变为液体是一种再次释放该能量的方法。本质上,这就是冰箱将热量从其冷却柜传递到室外房间的方式。他们将液体变成冷藏柜内的气体(从储存的食物中吸收热量),将其抽到冷藏柜外,然后再次变回液态(以释放外部的热量)。

  加热和冷却循环

  通过将气体压缩成液体,我们可以释放热量。通过让液体膨胀成气体,我们可以吸收热量。我们如何利用这一方便的物理方法将热量从冰箱内部转移到外部?假设我们制作的管子部分位于冰箱内,部分位于冰箱外,然后密封,使其成为一个连续的回路。并假设我们在管道中填充了精心选择的化学物质(一种低沸点物质),该化学物质容易在液体和气体之间来回转换,被称为冷却剂或制冷剂。在冰箱内部,我们可以使管子突然变宽,这样液态冷却剂会膨胀成气体,并在冷却器柜流过时冷却。在冰箱外面,我们可以使用诸如自行车打气筒之类的工具来压缩气体,释放热量并将其变回液态。如果化学物质绕着回路流动,在冰箱内部膨胀时在外面膨胀,则在不断压缩时,它将不断地从内部吸收热量并将其像传热带一样带到外部。这样,我们就可以不断地将热量从寒冷的地方(冰箱内部)转移到更热的地方(冰箱外部),这不是物理定律自动发生的(留给自己的设备,热量从较冷的东西)。

  而且,令人惊讶的是,这几乎就是冰箱的工作方式。有一些额外的细节值得注意。在冰箱内部,管道通过称为膨胀阀的喷嘴 膨胀(更确切地说,这是所谓的固定孔)。当液体冷却剂通过时,它会急剧冷却并部分变成气体。对于发现这一点的物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳(James Prescott Joule,1818–1889年)和威廉·汤姆森(William Thomson,Lord Kelvin,1824-1907年)来说,这种科学有时被称为 焦耳-汤姆森(Joule-Thomson)效应。您会惊讶地发现 压缩机冰箱外面真的不是自行车打气筒!它实际上是一台电动泵。冰箱经常发出嗡嗡声的东西。压缩机连接到称为冷凝器 (冰箱后面的薄散热器)的类似格栅的设备,该设备排出多余的热量。

  冰箱的工作原理

  正如我们所说的,这就是冰箱内部发生的事情!图片的左侧显示了冷藏柜(您存放食物的地方)内部发生的情况。虚线和粉红色区域表示后墙和绝缘层,将内部与外部隔开。图片的右侧显示了冰箱后部看不见的东西。

  冷却剂进入膨胀阀(黄色)时是一种加压液体。通过时,突然的压力下降使其膨胀,冷却并部分转变为气体(就像将液体从罐中喷出到手上时,液体气雾剂转变为冷气体一样)。

  当冷却剂在冷柜周围(通常是围绕埋在后壁中的管道周围)流动时,它会沸腾并完全变成气体,从而吸收并除去内部食物的热量。

  所述压缩机挤压冷却剂,提高其温度和压力。现在是高温高压气体。

  冷却剂流过冰箱背面的细散热器管道,将热量散发并冷却回液体。

  冷却液通过隔热柜流回膨胀阀,循环重复进行。因此,热量不断从冰箱内部吸收,然后再次放到冰箱外部。

  为什么冷却需要时间?

  像我们宇宙中的所有其他事物一样,冰箱也必须遵守物理学的基本定律,即 能量守恒。要点是,您不能一无所有地产生能量,也不能使能量消失在稀薄的空气中:您只能将能量转换成其他形式。这对冰箱使用者具有非常重要的意义。

  首先,它打破了这样的神话:您可以通过打开冰箱门来为厨房降温。不对!正如我们已经看到的,冰箱的工作原理是用冷却液“吸收”来自冷却柜的热量,然后将其抽到柜外,从而释放热量。因此,理论上,如果您从冰箱内部移除一定量的热量,则重新出现的热量与背面周围的热量完全相同(实际上,由于电动机效率不高,并且放出的热量也散发出来的热量要多一些)热)。打开门,您只是将热能从厨房的一部分转移到另一部分。

  能量守恒定律还解释了为什么要花这么长时间在冰箱或冰柜中冷却或冷冻食物。食物中含有大量的水,这些水是由非常轻的分子制成的(氢和氧是最轻的两个原子)。即使是少量的水性液体(或食物)也含有大量分子的数量,每个分子都需要能量来加热或冷却。这就是为什么要花几分钟才能煮出一两杯水的原因:要加热的分子比要尝试煮一杯铁水或铅金属之类的东西要多得多。冷却也是如此:从果汁或食物等含水液体中去除热量需要花费能量和时间。这就是为什么冷冻或冷却食物需要这么长时间的原因。这并不是说您的冰箱或冷冻机效率低下,而是您需要添加或移除大量能量,以使含水物将其温度改变几度以上。

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