Fizika · Molekulyar fizika va termodinamika · 10-sinf

Muzlatgich va issiqlik nasosi

Issiqlik qanday qilib sovuq muzlatgichdan issiq oshxonaga “tepaga” oqadi?

Vaziyat

Yozda Toshkentda oshxona harorati 30 °C dan oshadi, muzlatgich ichida esa +4 °C. Issiqlik o‘z-o‘zidan doim issiqdan sovuqqa oqadi — unda muzlatgich ichidagi issiqlik qanday qilib orqadagi qora panjara orqali issiq oshxonaga chiqib ketadi? Qishda xuddi shu mashina teskari ishlab, −5 °C li ko‘chadan issiqlikni “so‘rib”, uyni isitadi va elektr isitgichdan 3–4 marta kam elektr sarflaydi. Muzlatgichni kesib, sovituvchi agentning yo‘lini kuzatamiz. Sovuqdan issiqqa issiqlik o‘tkazish uchun qancha ish kerak va uni kamaytirib bo‘ladimi?

Mavzu

Sovutgich va issiqlik nasosi. Uy muzlatgichi va konditsioner: issiqlik sovuqdan issiqqa qanday o‘tadi

Asosiy tushunchalar

Sovitish sikli
COP va Karno chegarasi
Termodinamikaning II qonuni

Formulalar

Q_{1} = Q_{2} + A

Energiyaning saqlanishi: kondensator xonaga muzlatgich ichidan olingan issiqlik $Q_{2}$ va kompressor ishi $A$ yig‘indisini beradi.

ε = \frac{Q_{2}}{A}, φ = \frac{Q_{1}}{A} = ε + 1

Sovitish koeffitsiyenti (COP) va issiqlik nasosining isitish koeffitsiyenti.

ε_{K} = \frac{T_{2}}{T_{1} - T_{2}}, φ_{K} = \frac{T_{1}}{T_{1} - T_{2}}

Karno chegarasi: $T_{2}$ — sovuq, $T_{1}$ — issiq jism harorati (kelvinda). Haqiqiy mashina undan doim yomonroq.

\frac{Q_{1}}{T_{1}} \geq \frac{Q_{2}}{T_{2}}

II qonun (entropiya bilan): issiq jismga beriladigan entropiya sovuq jismdan olinganidan kam bo‘lmaydi — shuning uchun $A > 0$ bo‘lishi shart.

E_{o y} = \overline{P} \cdot 720 soat

Oylik elektr iste’moli: o‘rtacha quvvat × 30 kun. 1 kVt·soat = 3,6 MJ.

Nazariya

Sovitish sikli

Muzlatgich ichida past bosimda qaynaydigan modda — sovituvchi agent, xladagent (kundalik tilda «freon»; bu muzlatgichda esa izobutan R600a) aylanadi. Bug‘latgichda (yuqoridagi alyuminiy quti) u kameradan 10–15 °C sovuqroq haroratda (+4 °C li kamera uchun ≈ −8 °C, muzlatish bo‘limida −20…−25 °C) qaynab, mahsulotlardan issiqlik $Q_{2}$ oladi — qaynash uchun yashirin issiqlik kerak. Kompressor bug‘ni ≈ 1 bar dan 5–7 bar gacha siqadi, u 60–90 °C gacha qiziydi. Orqadagi kondensatorda bug‘ xona havosiga issiqlik $Q_{1}$ berib, suyuqlikka aylanadi. Ingichka kapillyar naycha bosimni keskin tushiradi (drossellash, entalpiya o‘zgarmaydi): suyuqlik qisman bug‘lanib, soviydi va yana bug‘latgichga boradi. Sahnada zarralar rangi — harorat, kattaligi — suyuqlik (katta) yoki bug‘ (kichik).

Energiya balansi, COP va Karno

Kompressor ishi yo‘qolmaydi: $Q_{1} = Q_{2} + A$ — muzlatgich orqasi ichidan olingan issiqlikdan ham ko‘proq issiqlik beradi. Sovitish koeffitsiyenti $ε = Q_{2} / A$ ko‘pincha 1 dan katta: bu energiya “ishlab chiqarish” emas, issiqlikni ko‘chirish. Ideal (Karno) mashina uchun $ε_{K} = T_{2} / (T_{1} - T_{2})$ : harorat farqi qancha kichik bo‘lsa, shuncha yaxshi. Haqiqiy $ε$ ancha kichik: bug‘latgich kameradan sovuqroq, kondensator xonadan issiqroq bo‘lishi kerak (issiqlik o‘tishi uchun), kompressor va dvigatelda ham yo‘qotishlar bor. Panelda ikki Karno qiymatini solishtiring. Issiq oshxonada muzlatgich ko‘proq ishlaydi: issiqlik ichkariga tezroq sizadi, $ε$ esa kamayadi.

Termodinamikaning II qonuni

Klauzius ta’rifi: issiqlik o‘z-o‘zidan sovuq jismdan issiq jismga o‘tmaydi. «Kompressor» tugmasini o‘chiring: xladagent to‘xtaydi va issiqlik devorlar orqali xonadan ichkariga sizib, kamera xona haroratigacha isiydi. Issiqlikni teskari yo‘nalishda o‘tkazish uchun tashqi ish kerak. Entropiya tilida: sovuq jismdan $Q_{2} / T_{2}$ entropiya olinsa, issiq jismga kamida shuncha — $Q_{1} / T_{1} \geq Q_{2} / T_{2}$ berilishi kerak, shuning uchun $Q_{1} > Q_{2}$ va $A > 0$ . Issiqlik dvigateli — xuddi shu siklning teskarisi (dvigatel tajribasi).

Issiqlik nasosi va konditsioner

Split-konditsionerda to‘rt yo‘lli klapan freon yo‘nalishini almashtiradi. Yozda ichki blok bug‘latgich: xonadan issiqlik olinib, tashqi blok orqali ko‘chaga chiqariladi. Qishda tashqi blok bug‘latgich bo‘lib, sovuq havodan ham issiqlik oladi (freon undan ham sovuqroq), ichki blok esa kondensator — xonani isitadi. Isitish koeffitsiyenti $φ = Q_{1} / A$ odatda 2,5–4: 1 kVt·soat elektrga 2,5–4 kVt·soat issiqlik. Elektr isitgichda esa $φ = 1$ . Tashqarida sovuq kuchaygan sari $φ$ kamayadi. Model: uy uchun $U A = 160$ Vt/K, inverterli kompressor, freon xossalari soddalashtirilgan formulalar bilan (bir necha foiz aniqlik), vaqt 60 marta tezlashtirilgan.

Muzlatgich va ekologiya

Avvalgi muzlatgichlarda xlorftoruglerodli freonlar (R12) ishlatilgan; ular atmosferaga chiqib, ozon qatlamini yemirgani aniqlangach, 1987-yildagi Monreal protokoli ularni bosqichma-bosqich taqiqladi. Keyingi R134a ozonga zarar bermaydi, lekin kuchli issiqxona gazi. Hozir uy muzlatgichlarida izobutan (R600a), konditsionerlarda R410A va R32 ishlatiladi. Muzlatgich yil bo‘yi uzluksiz ishlaydi: tejamkor (A sinfi) model va to‘g‘ri foydalanish — eshikni tez yopish, issiq ovqatni sovutib qo‘yish, orqadagi panjarani changdan tozalash, pechka yoniga qo‘ymaslik — elektr va undan kelib chiqadigan CO₂ ni kamaytiradi. Eski muzlatgichdagi freon maxsus usulda yig‘ib olinishi kerak.

Juda past haroratlar: magnit va yadro sovitish

Kelvinning ulushlarigacha sovitish uchun gaz sikli yaramaydi. Adiabatik magnitsizlantirish: paramagnit tuz kuchli magnit maydonda suyuq geliy bilan sovitiladi — spinlar tartiblanadi, ajralgan issiqlik geliyga ketadi. So‘ng tuz issiqlikdan ajratilib, maydon olinadi: spinlar tartibsizlanishi uchun energiyani kristall panjaradan oladi va harorat millikelvinlarga tushadi. Yadro spinlari bilan xuddi shunday qilib mikrokelvinlarga yetiladi. Xona haroratida ishlaydigan magnitokalorik sovitgichlar (masalan, gadoliniy asosida) ham ishlab chiqilmoqda. Batafsil — magnit xossalar tajribasida.

Bilasizmi?

Xlorftoruglerodli freonlar ozon qatlamini yemirishi aniqlangach, 1987-yilda Monreal protokoli qabul qilindi. Hozirgi uy muzlatgichlarining ko‘pchiligida ozonga zararsiz izobutan (R600a) ishlatiladi.
Paramagnit tuzni adiabatik magnitsizlantirish orqali sovitish g‘oyasini 1926–1927-yillarda Piter Debay va Uilyam Jiok mustaqil ravishda taklif qilgan; bu usul bilan millikelvin haroratlarga erishiladi.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.