یخچال

می دانیم ماشین گرمایی وسیله ای است که توسط آن یک سیستم چرخه ای را می پیماید که درآن هنگامی که دما بالاست مقداری گرما جذب می شود و مقدار کم تری گرما در یک دمای پایین تر دفع می شود و مقداری کار خالص بر روی محیط انجام می گیرد.

اگر چرخه ای را که در جهتی مخالف جهت ماشین پیموده می شود، تصور کنیم؛ نتیجه ی خالص آن جذب مقداری گرما در یک دمای پایین تر و دفع مقدار بیشتری گرما در دمای بالاتر و مقداری کار خالص بر روی سیستم خواهد بود. وسیله ای را که یک چرخه را در چنین جهتی می پیماید یخچال نامیده می شود و سیستمی را که دستخوش چنین چرخه ای می شود سردکن می نامند.

شکل الف: نمودار نمایشی مراحل عمل یخچال کامل استرلینگ

چرخه ی استرلینگ قابلیت معکوس شدن را دارد و هنگامی که معکوس شود یکی از مفیدترین انواع یخچال را تولید می کند. کار یک یخچال کامل استرلینگ را می توان به بهترین نحو به کمک نمودارهای طرح وار شکل الف و نمودار PV ی همراه آن در شکل ب دریافت.

 در حالی که پیستون سمت راست ساکن باقی می ماند، پیستون سمت چپ بالا می رود، و با تراکم گاز در دمایگرمای  را به منبع گرم پس می دهد.

 هر دو پیستون یه یک اندازه و به طور همزمان حرکت و گاز را وادار به عبور از بازمولد می کنند، گاز گرمای  را به بازمولد می دهد و در فضای سمت راست به صورت یک گاز سرد پدیدار می شود. این عمل در حجم ثابت رخ می دهد.

شکل ب: یخچال کامل استرلینگ در نمودار PV

در حالی که پیستون سمت چپ ساکن بافی می ماند پیستون سمت راست پایین می رود و باعث یک انبساط همدما در دمای کم  می شود که در طی آن گاز گرمای   را زا منبع سرد جذب می کند.

 هر دو پیستون حرکت می کنند و گاز را در حجم ثابت از طریق بازمولد از انتهای سرد به انتهای گرم می رانند و از این راه تقریبا همان گرمای  را که در فرآیند به بازمولد داده شده بود جذب می کند.

در مورد هر یخچال هدف گرفتن حداکثر ممکن گرما از منبع سرد با صرف حداقل کار است. با این بیان خروجی عبارت است از گرمای گرفته شده از منبع سرد و ورودی عبارت است از کار. بنابراین ضریب عملکرد  (که نسبت انرژی سردکنندگی نیز نامیده می شود) برابر است با:

اگر در یک چرخه گرمای  Q_C  توسط سردکن از منبع سرد جذب شود و موتور الکتریکی که یخچال را به کار می اندازد به اندازه ی  کار کند داریم:

ضریب عملکرد یک یخچال می تواند به اندازه ی قابل ملاحظه ای بزرگ تر از واحد باشد. مثلا اگر مقدار د‰  5 باشد داریم:

می دانیم:  بنابراین با جایگذاری این رابطه در رابطه ی ضریب عملکرد داریم  

و در نتیجه 

بنابراین گرمای آزاد شده در دمای بالاتر شش برابر کار انجام شده است.

گرم کردن خانه با سرد کردن هوای خارج

اگر کار را یک موتور الکتریکی تامین کند، به ازای هر یک ژول انرژی الکتریکی داده شده، شش ژول گرما آزاد خواهد شد و حال آن که اگر یک ژول انرژی الکتریکی در یک مقاومت مصرف می شد حداکثر ممکن بود یک ژول گرما به دست آید. بنابراین مقرون به صرفه به نظر می آید که خانه ها را با سرد کردن محیط خارج گرم کنیم.

سرد کردن خانه با گرم کردن هوای خارج

همیشه برای انتقال گرما از یک منبع سرد به یک منبع گرم احتیاج به انجام کار است. در یخچال های خانه این کار توسط یک موتور الکتریکی انجام می گیرد. برای بشر موهبتی بود اگر به هیچ منبع انرژی خارجی نیار نبود ولی باید قبول کرد که تجربه عکس این را نشان می دهد. این بیان منفی به قانون دوم به بیان کلاوسیوس منجر می شود:

در نظر اول بیان کلوین – پلانک و بیان کلاوسیوس غیر مرتبط به نظر می آید ولی در واقع این دو از هر نظر با یکدیگر هم ارزند.

مرکز یادگیری تبیان- تهیه و تنظیم: فاطمه گودرزی