Soğutma makinelerinin termodinamik ile ilişkisi

Sıcak ve soğuk

“Soğuk” diye bir şey yoktur ‘Buffalo, New York ya da Minnesota, International Falls’ta Şubat ayında meydana gelen don olayları sırasında yaşananlar için inanması zor bir ifadedir. Elbette, soğuk bir duyusal deneyim olarak gerçektir, ancak fiziksel olarak, soğuk bir “şey” değildir.’ sadece ısının olmamasıdır. Örneğin, insanlar soğuması için bir fincan kahveye bir buz küpü koyduklarını söyler, ancak fizik açısından bu açıklama geriye dönüktür: Aslında olan şey, sıcaklığın kahveden buza akması ve böylece onun sıcaklığının artmasıdır. Ortaya çıkan sıcaklık, buz küpü ile kahve arasında bir yerde bulunur. Ancak transfer başlangıcında iki sıcaklığın ortalaması alınarak sadece bir değer elde edilemez.

Buz küpündeki suyun hacmi, kahve içerisindeki suyunkinden daha düşüktür, ayrıca, bunların farklı kimyasal özelliklerinin etkileşim üzerinde de biraz az etkisi olabilir. Bununla birlikte, en önemlisi, kahvenin buzla birleşmesinin yanı sıra, buz küpüne ısı aktarma sırasında kahve içerisindeki moleküller, iç kinetik enerjilerinin bir kısmını harekete geçirir ve bu süreçte daha fazla ısı kaybettirir.

Soğutma Makineleri

Buzdolabı ve klima gibi soğutma makineleri, parçacıklarının ısıtılarak alışılmış işlemi tersine çeviriyor. Buzdolabı iç bölmeden ısı alır. Yiyeceklerin ve diğer bozulabilir malzemelerin bulunduğu bölge dışarıdaki bölgeye aktarır. Bu yüzden bir buzdolabının arkası sıcaktır. Buzdolabının içinde soğutucu bölmenin ısısının aktığı bir evaporatör (buharlaştırıcı)  vardır.

Buharlaştırıcı, kolayca soğutulabilen bir soğutucu mesela (amonyak veya Freon 12) gibi bir gaz içerir. Bu gaz düşük basınçta buharlaştırıcıdan bir boruya salınır ve sonuç olarak soğuma işlemi gerçekleşir. Boru, soğutucu akışkanını kompresöre alır ve yüksek basınçla kondensere pompalar. Buzdolabının arkasında bulunan yoğunlaştırıcı, gazın sıvıya çevrildiği uzun bir boru dizisidir.

Kondenserin içinden geçerken gaz ısıtılır ve bu ısı buzdolabının etrafındaki havaya bırakılır. Bir klima aynı şekilde çalışır. Odadan çıkan sıcak hava evaporatöre akar ve bir kompresör soğutucu akışkanı buharlaştırıcıdan bir kondensere dolaştırır. Evaporatörün arkasında, havadaki sıcak havayı çeken bir fan bulunur ve başka bir fan, ısıtıcıyı yoğunlaştırıcıdan dışarıya iter. Bir buzdolabında olduğu gibi, soğutulacak alanın ısısını hareket ettirdiği için bir klimanın arkası sıcaktır. Böylece, soğutma makineleri, tartışılan ısı ilkelerine meydan okumaz.  İkinci yasaya uygun olarak, ısıyı normal yöndeki tersine hareket ettirmek için harici enerji gereklidir. Dolayısıyla, bir buzdolabı, bir elektrik güç kaynağından (yani, takılı olduğu çıkış) enerjiyi alır ve ısıyı alır. Bununla birlikte, buzdolabını çalıştırmak için gereken enerji miktarı olarak iç bölmeden iki veya üç kat daha fazla ısı çıkarmayı etkin bir şekilde yapmayı başarır.

Isı Transferleri

Şimdi, ısının nasıl aktarılacağını tartışmak uygun. Tekrar hatırlatmak gerekir ki, ısı bir noktadan diğerine aktarıldığında, bu iki nokta arasında sıcaklık farkı olmalıdır. Bir cisim ya da sistem, iç termal enerjinin düzgün bir seviyesine sahipse sıradan koşullar ne kadar “sıcak” olursa olsun herhangi bir ısı aktarımı gerçekleşmez.

Isı üç yöntemden biri ile aktarılır: iletim, ardışık moleküler çarpışmaları içerir; bir yerden bir başka yere sıcak akış hareketi gerektiren konveksiyon; veya elektromanyetik dalgaları içeren ve aktarım için hiçbir fiziksel ortam gerektirmeyen radyasyon.