电冰箱七问

2018-04-10 09:09
物理之友 2018年3期
关键词:电冰箱制冷量能效

 

(江苏省连云港市赣榆高级中学高三10班,江苏 连云港 222100)

电冰箱是家中常用的电器,即使在偏远的山村,电冰箱也不再是稀罕的物件。电冰箱能够制冷,用物理术语来说,“能够将热量从低温物体传给高温物体。”而热力学第二定律的克劳修斯表述为“热量不会自发地从低温物体传给高温物体,而不引起其他变化。”因此,电冰箱常被当作“反面教材”,能否将电冰箱(涉及到热现象)的原理搞清楚、弄明白,是理解热力学第二定律的克劳修斯表述的关键。在学习中,笔者采用一问一答的形式来帮助其他同学解读电冰箱,效果很好。

一问:电冰箱的制冷原理是什么?

图1

如图1所示,电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管(节流阀)、蒸发器四部分组成。这四部分由管道相连,组成一个密闭的连通器系统,制冷剂作为工作物质,由管道输送,经过这四部分完成工作循环。

压缩机是电冰箱的“心脏”,它消耗电能,对来自蒸发器的制冷剂蒸气做功,使它变成高温高压的蒸气。然后这些高温高压的蒸气来到冷凝器向低温的环境放热,同时自身被冷却成低温高压的液体。这些低温高压的液态制冷剂由过滤器滤掉水分和杂质,进入毛细管,经节流膨胀,变成低温低压的液体,随后进入电冰箱的蒸发器。低温低压液态制冷剂在低压条件下迅速液化,从外界(电冰箱内)吸收大量的热量,使温度降低,这样就完成了一个制冷循环。

二问:对电冰箱而言,低温物体、高温物体分别是什么?

对电冰箱而言,低温物体是箱内食品,高温物体是箱外空气。

三问:电冰箱的工作物质内能如何变化?

电冰箱的制冷过程可分为三个过程,工作物质内能的变化分别是这样的:一是电动机推动活塞压缩工作物质做功,使其内能增加;二是气态工作物质在冷凝器中液化放出热量,内能减少;三是液态工作物质在蒸发器中汽化吸收热量,内能增加。

四问:电冰箱中第三者是谁?

在电冰箱中,热量的确是从低温物体传给高温物体,但这不是自发的,这个过程必须有第三者介入,这个第三者就是压缩机。如果没有压缩机做功,热量就会自发地从箱外的高温空气传给箱内的低温食品。

五问:电冰箱吸收的热量Q2等于压缩机所做的功W吗?

冰箱、空调制冷原理基本相同,空调有一个参数叫“能效比”,就是空调的制冷量(制热量)与运行功率之比。通俗的讲,就是空调用一千瓦的电,能产生多少千瓦的制冷量。例如一空调的制冷量是4800W,运行功率是1860W,制冷能效比是4800/1860≈2.6。这仅仅是5级的能效比,空调的1级能效比为3.4,市场准入的最低能效比是5级。从上面可以看出现行空调的制冷量是大于压缩机所消耗的电能。虽然冰箱的能效比计算复杂,不像空调那样能直接给出准确的数字,但可以推断出电冰箱吸收的热量大于压缩机运行所消耗的电能。压缩机消耗电能主要是用来做功的,不可避免地有能量损失,压缩机消耗电能肯定大于它所做的功,因此电冰箱吸收的热量Q2大于压缩机所做的功W,而不是等于W。

六问:电冰箱制冷过程违反能量守恒定律吗?

经过一个制冷循环后,冰箱工作物质的内能不变。冰箱从箱内食品中吸收的热量Q2、外界做功W、向大气放出的热量Q1三者满足的关系为Q1=Q2+W。从表达式中可以看出吸收的热量大于“外界”做功,也就是压缩机做的功,并不违反能量守恒定律。

七问:电冰箱的制冷过程违反热力学第二定律吗?

在电冰箱中,热量的确是从低温物体传给高温物体。但这不是自发的,需要压缩机做功,并引起了第三者的变化,即消耗了电能(如图2),因此

电冰箱的制冷过程并不违反热力学第二定律。

图2

通过上述七个问题的回答,不仅能够帮助同学全面理解冰箱的工作原理,而且对热力学第二定律的克劳修斯表述也有了更深刻的认识。

参考文献:

[1] 房进权.农村初中“综合实践活动:用电冰箱研究物态变化现象”的思考与设计[J].中学物理,2013,(6).

[2] 于金勇.带着初中生去认识电冰箱[J].湖南中学物理,2010,(9).

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