Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Охлаждение сжатого газа приводит к его сжижению (конденсации); этот процесс также сопровождается отводом тепла в окружающую среду. Из конденсатора жидкий фреон поступает в специальное устройство – дроссель, назначение которого – резко снизить давление (это достигается путем прохождения вещества через небольшое отверстие с последующим увеличением объема); при этом часть жидкости испаряется, а ее температура резко падает. Каждый может легко почувствовать это явление, как говорится, собственной кожей, если будет интенсивно махать мокрой рукой. А ведь жидкий фреон испаряется намного легче, чем вода: для испарения одного грамма воды требуется 2260 Дж, а одного грамма фреона-114 – всего 134 Дж, почти в 17 раз меньше! В испарителе (он расположен в морозильной камере холодильника) жидкость полностью выкипает, что сопровождается дальнейшим значительным понижением температуры. Пары холодного фреона откачиваются компрессором, сжимаются, и далее цикл повторяется.

Компрессор холодильника может создать определенное давление. Достаточно ли будет этого давления, чтобы сжатый газообразный хладагент после охлаждения в конденсаторе перешел в жидкое состояние? Это зависит и от температуры в помещении (сжатый газ охлаждается воздухом), и от мощности компрессора, и от природы хладагента. Для каждого соединения имеется своя зависимость температуры кипения жидкости (или температуры конденсации газа, что одно и то же) от давления. Пусть компрессор данного холодильника способен создать давление 4 атм. При таком давлении пары фреона-114 сконденсируются в жидкость, если их температура будет не выше 45 °С. Так оно обычно и бывает, если на кухне не слишком жарко, например 25 °С. Но если температура в помещении повысится, положим, до 30 °С, пары фреона в конденсаторе не смогут остыть в достаточной степени, чтобы при 4 атмосферах превратиться в жидкость: для этого потребуется более высокое давление, которое компрессор не дает. Конечно, дросселирование сжатого газа в компрессоре газообразного фреона тоже приведет к некоторому понижению температуры. Однако охлаждение при этом будет значительно слабее, чем при испарении жидкости.

Теперь представим себе, что у другого, более мощного, холодильника компрессор может создать давление 6 атм. При таком давлении пары фреона-114 будут конденсироваться в жидкость даже при температуре 60 °С, поэтому холодильник с таким компрессором будет работать и в том случае, когда на кухне очень жарко (например, в тропических странах). Вот почему в очень жаркое лето одни холодильники работают исправно, а другие – нет.

Если в холодильнике используется фреон-12, зависимость его температуры кипения от давления и соответственно требования к компрессору будут другими. Температура кипения этого вещества составляет –29,8 °С при давлении 1 атм, 20 °С при 5,7 атм, 40 °С при 9,7 атм и 60 °С при 15,3 атм. Следовательно, для сжижения этого хладагента требуется (при данной температуре) более высокое давление.

Сравнительно высокие давления требуются и для сжижения аммиака: при атмосферном давлении 1 атм он кипит при температуре –33,6 °С, если повысить давление до 10 атм – при 25,7 °С, до 20 атм – при 50,1 °С, до 30 атм – при 66,1 °С. То есть если хладагентом служит аммиак, требуются значительно более мощные компрессоры (такие холодильники работают, например, на мясокомбинатах). Преимущество аммиака – в очень высокой теплоте испарения: 1 кг кипящего аммиака отбирает у окружающей среды 1370 кДж, тогда как 1 кг фреона-12 – только 162 кДж. Однако аммиак – ядовитый газ с сильным запахом, что при его утечке создает большие проблемы. Фреоны лишены этих недостатков: они не ядовиты, не горят, не имеют запаха. В холодильных машинах применяют несколько десятков различных фреонов и их смесей. Наиболее распространены фреон-12, фреон-22 и фреон-13 (последний применяется для создания очень низких температур, требующихся для хранения продуктов в течение длительного времени). В холодильных установках в нефтехимической и газовой промышленности применяются некоторые углеводороды: этан, пропан, этилен.

В заключение рассказа о холодильнике – старая задача: как изменится температура в комнате, если открыть дверцу стоящего в ней холодильника? Оказывается, эта задача имеет несколько решений. Обычно говорят, что правильный ответ – никак не изменится, потому что для создания холода внутри холодильника его агрегат нагревает воздух в помещении. В связи с этим вспоминается такая анекдотичная история. В один из американских журналов пришло письмо, автор которого, простая домохозяйка, внесла очень интересное предложение: «В последнее время так много говорят о глобальном потеплении. Может быть, стоит правительствам всех стран предписать своим гражданам в определенный день включить на сильное охлаждение все кондиционеры в домах и офисах и открыть все окна и двери?».

По поводу этого письма Г. И. Шифф, который преподавал в университете Мак-Гилла в Монреале, рассказал одну поучительную историю. В начале 1950-х гг. он задал своим студентам популярный вопрос: как изменится температура в помещении, если открыть дверцу холодильника. Один из студентов ответил, что в комнате станет холоднее. Преподаватель, конечно, начал снова терпеливо объяснять законы термодинамики, говорить про то, что «вырабатывая холод» внутри холодильника, агрегат в то же время заметно нагревает воздух в помещении. Однако студент упрямо стоял на своем: «Нет, в моей комнате станет холоднее! Там, где я живу, на все комнаты стоит один компрессор в подвале, поэтому холодильник у меня воздух не греет».

Преподавателю ничего не оставалось, как согласиться. Вероятно, студент жил в небольшом общежитии на несколько комнат, которое было оборудовано такими холодильниками. В некоторых наших научных учреждениях аналогично вакуум создается одним мощным насосом, к которому можно подключиться из разных помещений, а на краниках в лабораториях можно прочитать: «воздух», «газ», «вакуум». Значит, компрессор в упомянутом общежитии нагревал воздух только в подвале, а в комнатах «вырабатывал» только холод!

Кстати, можно придумать еще одну ситуацию. В любом современном холодильнике есть реле, которое выключает компрессор, когда температура внутри понизится до определенного значения (оно задается ручкой-регулятором). Так, если регулятор стоит в положении, которое соответствует, положим, температуре в морозильной камере –10 °С, то как только температура в ней превысит это значение, специальный датчик даст команду реле включить компрессор. И холодильник будет «урчать» до тех пор, пока температура снова не понизится до заданного предела, после чего автоматически выключится. Такой режим «труда и отдыха» значительно удлиняет срок службы компрессора и экономит электро энергию.

Теперь представим себе, что холодильник очень старый и в нем нет реле. В таком холодильнике компрессор работает непрерывно. Пусть после длительной работы внутри этого холодильника накопилось много снега и льда. И если комната хорошо изолирована, то после открывания дверцы холодильника температура в комнате понизится, пока не растает весь снег со льдом. Правда, понижение температуры будет очень незначительным. Когда же весь лед растает, температура в комнате больше меняться не будет. А вот если открыть дверцу обычного холодильника, то температура в комнате повысится, так как компрессор будет работать более длительное время (или даже непрерывно).