دسته‌ها
ترمودینامیک ترمودینامیک فیزیک دهم فیزیک سوم دبیرستان

یخچال ها

یخچال ها وسیله ای هستند که با استفاده از کار، گرما را از منبعی دماپایین می گیرد و به منبعی دمابالا می دهند. در یخچال نیز مانند ماشین های گرمایی یک چرخه ترمودینامیکی طی می شود.

قانون دوم ترمودینامیک و یخچال ها

گرما همواره از جسمی با دمای بالا به جسمی با دمای پایین منتقل می شود ولی عکس این عمل به طور خودبه خود رخ نمی دهد. امکان ندارد که یک لیوان آب سرد در دمای اتاق به صورت خودبه خود سردتر شود. قانون دوم ترمودینامیک به بیان یخچالی را می توان  به صورت  زیر بیان کرد:

ممکن نیست گرما به طور خودبه خود از جسم با دمای پایین تر به جسم با دمای بالاتر منتقل شود.

اما با انجام کار می توان گرما را از جسمی سرد به جسمی گرم منتقل کرد.

یخچال 

یخچال ها وسیله ای هستند که با استفاده از کار، گرما را از منبعی دماپایین می گیرد و به منبعی دمابالا می دهند. در یخچال نیز مانند ماشین های گرمایی یک چرخه ترمودینامیکی طی می شود. در این چرخه محیط روی دستگاه (ماده کاری) کار W را انجام می دهد. دستگاه گرمای QL را از منبع دماپایین می گیرد و گرمای |QH| را به منبع دمابالا می دهد. به عبارت دیگر، یخچال وارون یک ماشین گرمایی عمل می کند. طرح واره ای از طرز کار یخچال را در شکل زیر مشاهده می کنید.

ph10 s5 yakhchal 01 یخچال ها

یخچال های خانگی، کولرهای گازی و تلمبه های گرمایی نمونه هایی از یخچال ها هستند. مثلا در یخچال خانگی انرژی الکتریکی سبب انجام کار توسط متراکم ساز (کمپرسور) می شود و گرما از هوا و مواد داخل آن گرفته می شود و به هوای بیرون داده می شود.

ph10 s5 yakhchal 02 یخچال ها

در کولر گازی هوای داخل اتاق منبع دماپایین و هوای بیرون از خانه منبع دمابالا می باشد که موتور کولر با انجام کار، گرما را از داخل اتاق به بیرون منتقل می کند.

ph10 s5 yakhchal 03 یخچال ها

ضریب عملکرد یخچال

در هر یخچال می خواهیم با صرف کمترین کار ممکن، بیشترین گرما را از منبع دماپایین بگیریم. بنابراین ضریب عملکرد یخچال (K) به صورت نسبت گرمای گرفته شده از منبع دماپایین به کاری که موتور انجام می دهد، تعریف می شود.

ph10 s5 yakhchal 04 یخچال ها

ضریب عملکرد، بدون یکا است.

هر چه ضریب عملکرد یخچال بیشتر باشد، استفاده از آن به صرفه تر است. ضریب عملکرد برای یخچال های خانگی در حدود ۵ و برای کولر های گازی درحدود ۲.۵ است.

با توجه به قانون اول ترمودینامیک می توان برای  یک یخچال که چرخه ای آرمانی را طی می کند، نوشت.

ph10 s5 yakhchal 05 یخچال ها

علت قدر مطلق  |QH| به این دلیل است که این گرما از دستگاه خارج می شود و مقداری منفی دارد.

با توجه به رابطه بالا می توان ضریب عملکرد برای یخچالی که آرمانی است به صورت زیر محاسبه می شود.

ph10 s5 yakhchal 06 یخچال ها

مانند ماشین های گرمایی که بازده آن ها حد بالایی دارد، برای ضریب عنلکرد یخچال ها نیز حد بالایی وجود دارد. به این حد بالا، ضریب عملکرد یخچال کارنو گفته می شود و می توان اثبات کرد که از رابطه زیر بدست می آید.

ph10 s5 yakhchal 07 یخچال ها

در این رابطه TL دمای منبع دماپایین و TH دمای منبع دمابالا است.

مثال هایی از یخچال ها

مثال ۱: فرض کنید در هر چرخه یخچال فرضی، دستگاه ۸ کیلوژول گرما از منبع دماپایین بگیرد و کمپرسور ۲ کیلوژول کار روی دستگاه انجام دهد. با فرض آرمانی بودن، این یخچال چه مقدار گرما به محیط می دهد؟ و ضریب عملکرد آن چقدر است؟

پاسخ:

ph10 s5 yakhchal 08 یخچال ها

مثال ۲: توان یک یخچال ۱۰۰ وات است و ضریب عملکرد آن ۴ است. با فرض آرمانی بودن، چه مدت طول می کشد تا در این یخچال، ۱ کیلوگرم آب ۲۵ درجه سلسیوس به یخ صفر در جه سلسیوس تبدیل شود؟ و در این مدت چه مقدار گرما به هوای بیرون داده شده است؟

پاسخ: ابتدا گرمایی که آب از دست می دهد را حساب می کنیم و قرینه آن همان گرمایی است  (QL)که از منبع دماپایین گرفته می شود.

ph10 s5 yakhchal 09 یخچال ها

مثال ۳: یک روش که گاهی برای سرد کردن آشپزخانه در یک روز گرم پیشنهاد می شود این است که در یخچال را باز بگذاریم. آیا واقعا این کار آشپزخانه را خنک می کند؟

پاسخ: یخچال همواره به گرمای آشپزخانه می افزاید، چه در آن باز و چه در آن بسته باشد. باز کردن در یخچال باعث می شود یخچال بیشتر کار کند و بنابراین گرمای بیشتری هم به آشپزخانه نسبت به موقعی می دهد که در یخچال بسته است.

مثال ۴: یک یخچال کارنو بین دماهای ۲۷ و ۱۲۷ درجه سلسیوس کار می کند. ضریب عملکرد آن چقدر است؟

پاسخ:

ph10 s5 yakhchal 10 یخچال ها

مثال ۵: یک یخچال کارنو بین دماهای TH و TL  (به ترتیب دمای منبع های دمابالا و دماپایین بر حسب کلوین) کار می کند. اگر ضریب عملکرد یخچال برابر ۴ باشد، TH  چند درصد بیشتر از TL است؟

پاسخ:

ph10 s5 yakhchal 11 یخچال ها

یعنی  ۲۵ درصد از TL بیشتر است.


ویدیو آموزشی

در این ویدیو آموزشی مباحث بالا به صورت کامل توسط استاد مصطفی کبیری توضیح داده می شود.

 

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات


دانلود نسخه PDF جزوه بالا




از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

3 دیدگاه دربارهٔ «یخچال ها»

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.