Холодильная машина и холодильный коэффициент

Урок объясняет, как холодильник отнимает теплоту у холодного и сбрасывает в тёплое.

Холодильная машина — тепловая машина, работающая в обратном направлении: за счёт работы $A$ она переносит теплоту $Q_2$ от холодного тела к горячему.

Холодильник «качает» теплоту против её естественного направления — от холодных продуктов в тёплую кухню. По второму началу даром это сделать нельзя, поэтому компрессор затрачивает работу $A$. Итого в горячий резервуар отдаётся $Q_1 = Q_2 + A$.

Холодильный коэффициент

Эффективность холодильника измеряют холодильным коэффициентом — отношением отнятой теплоты к затраченной работе:

$$\varepsilon = \frac{Q_2}{A} = \frac{Q_2}{Q_1 - Q_2}$$

Он может быть больше единицы — и это нормально: мы не «создаём» теплоту, а перекачиваем её, тратя меньше работы, чем переносим теплоты.

Q2 = 600.0    # отнято от холодного, Дж
Q1 = 800.0    # отдано в горячее, Дж
A = Q1 - Q2   # затрачено работы
print("Работа компрессора A =", A, "Дж")
print("Холодильный коэффициент COP =", round(Q2 / A, 3))
print("Коэффициент насоса COP_h  =", round(Q1 / A, 3))

Вывод:

Работа компрессора A = 200.0 Дж
Холодильный коэффициент COP = 3.0
Коэффициент насоса COP_h  = 4.0

Почему COP больше КПД

КПД двигателя всегда меньше единицы, а холодильный коэффициент часто 2–4. Это не противоречие: КПД и COP — разные отношения. COP считает перенесённую теплоту к работе, а не работу к теплоте.

Как работает под капотом

В контуре циркулирует хладагент. В испарителе (внутри камеры) он кипит при низком давлении, отнимая теплоту $Q_2$ у продуктов. Компрессор сжимает пар, затрачивая работу $A$ и повышая его температуру. В конденсаторе (на задней стенке) хладагент конденсируется, отдавая $Q_1$ в комнату. Затем дроссель сбрасывает давление, и цикл повторяется. Энергобаланс: $Q_1 = Q_2 + A$.

Частые ошибки

Удивляться, что COP больше 1 — холодильник переносит, а не производит теплоту.
Считать, что холодильник «уничтожает» теплоту; он перемещает её в комнату, нагревая её.
Путать $\varepsilon$ (для холодильника, $Q_2/A$) и $\varepsilon_h$ (для насоса, $Q_1/A$).

Итог

Холодильник переносит теплоту от холодного к горячему за счёт работы.
$\varepsilon = Q_2/A$ может быть больше единицы.
Энергобаланс: $Q_1 = Q_2 + A$, кухня нагревается.