Физика климата: как работает кондиционер
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Вопреки первому впечатлению, кондиционер не «производит» холод. С точки зрения фундаментальной физики, холода как самостоятельного физического явления не существует — есть лишь отсутствие тепла. Поэтому главный принцип работы любого кондиционера — не закачать внутрь морозный воздух, а забрать лишнее тепло из помещения и перенести его на улицу. Этот процесс полностью подчиняется законам термодинамики.
Три кита, на которых держится охлаждение
Работа системы базируется на трех взаимосвязанных физических правилах:
- Изменение агрегатного состояния. При испарении (переходе из жидкости в газ) вещество поглощает тепло. При конденсации (переходе из газа в жидкость) — выделяет.
- Зависимость кипения от давления. Чем ниже давление, тем ниже температура кипения жидкости.
- Сжатие и температура. При резком сжатии газа его температура растет, а при расширении — падает.
Роль переносчика тепла выполняет хладагент (фреон) — вещество, которое способно закипать и испаряться при очень низких температурах.
Четыре шага замкнутого цикла
Кондиционер представляет собой герметичный контур, по которому непрерывно циркулирует фреон. Этот путь состоит из четырех ключевых этапов.
Испарение (Забор тепла из комнаты)
Во внутреннем блоке находится радиатор-испаритель. В него поступает холодный жидкий фреон под низким давлением. Комнатный вентилятор прогоняет теплый воздух через этот радиатор. Фреон закипает, превращается в газ и забирает (всасывает) тепло из воздуха. В комнату возвращается уже охлажденный поток.
Сжатие (Повышение давления)
Газообразный фреон, вобравший в себя тепло, по медным трубкам перетекает во внешний блок (или в компрессорный отсек, если это мобильный напольный кондиционер). Здесь компрессор резко сжимает газ. При этом давление фреона вырастает, а его температура взлетает до 70–90°C — он становится горячее, чем воздух на улице.
Конденсация (Сброс тепла на улицу)
Раскаленный газ под давлением попадает в радиатор-конденсатор наружного блока. Вентилятор обдувает его уличным воздухом. Поскольку фреон горячее окружающей среды, он интенсивно отдает тепло улице. Остывая, газ конденсируется и снова превращается в жидкость.
Расширение (Сброс давления)
Жидкий фреон все еще находится под высоким давлением. Он проходит через узкий капилляр или терморегулирующий вентиль (ТРВ). На выходе из него давление резко падает, фреон стремительно остывает и вновь направляется в испаритель внутреннего блока.
Цикл замыкается и повторяется до тех пор, пока датчики не зафиксируют нужную температуру в комнате.
Режим обогрева: Термодинамический реверс
Если кондиционер включить на обогрев, его научный принцип не изменится, но с помощью специального клапана система поменяет направление движения фреона. Внешний и внутренний блоки фактически меняются ролями: теперь испаритель забирает остаточное тепло с улицы (даже в мороз там есть тепловая энергия), а конденсатор внутри комнаты отдает его, согревая ваш дом.