Hogyan gyártjuk a hideget?

 

Sok gyári üzemben folyik a munka, hogy minél alacsonyabb hőmérsékletet minél egyszerűbben lehessen előállítani. Gondoljunk a jéggyárakra, az árukat mélyen a fagypont alatti hőmérsékleten konzerváló, tartósító hűtőházakra, a laboratóriumokra, ahol egyre közelebb akarnak jutni az elérhetetlen abszolút nulla ponthoz. Gondoljunk a háziasszonyokat különösen érdeklő háztartási hűtőszekrényekre.
Hogyan lehet az, hogy a hűtőszekrényt vagy más gépet egyszerűen bekapcsoljuk a villanyvezetékbe, vagy gázlángot gyújtunk benne, és önműködően fagypont alatti hideget állít elő?

 

Az egyik hűtési módszer
A párologtatás

Cseppentsünk egy csepp alkoholt (spirituszt, kölnivizet) kezünk fejére. Kellemes hűvösséget érzünk a csepp helyén.
Fújjunk rá a csepp helyére. Még hűvösebbet érez bőrünk.
Meg tudnánk magyarázni ezt a hűvösséget az eddigiek alapján?
Egyszerű, annak a cseppnek molekulái is hőmozgást végeznek. De mivel a molekulák állandóan ütköznek egymással, azért nem ugyanakkora mindegyik molekula sebessége. A folyadékban vannak nagyobb sebességű és kisebb sebességű molekulák.

Mozgás közben a molekulák a folyadék felületére érnek. Némelyiknek sikerül kirepülni a levegőbe, és ott mint gázmolekula folytatja az útját. Ha orrunkba érnek, megérezzük a folyadék szagát.
Természetesen a legsebesebben mozgó molekuláknak van a legtöbb esélyük a folyadék elhagyására. Ezért éppen a sebesebb molekulák száma fogy egyre inkább a folyadék párolgása közben.

Mi lesz ennek a következménye?
A folyadékban a lassúbb molekulák maradnak. De a kisebb sebesség alacsonyabb hőmérsékletet jelent. A párolgó folyadék hőmérséklete csökken, a folyadék és környezete (a jelen esetben bőrünk) hidegebb lesz.
Ha fújjuk a folyadékot, akkor a párolgás gyorsabb, a lehűlés erősebb (ábra).

Ezért hűl le a párolgó folyadék. A fújás eltávolítja a folyadékból kirepült nagyobb sebességű molekulákat. Ezért nem pattanhatnak róluk vissza a folyadékba a később kirepülő molekulák - gyorsabbodik a párolgás

Könnyű ilyen módon fagypont alatti hőmérsékletet is előállítani.
Például ha egy lapos edénybe gyorsan párolgó étert öntünk és fújtatóval széláramot fújunk el felette, olyan gyors lesz a párolgás ás a lehűlés, hogy rövidesen nulla fok alá száll az éter hőmérséklete, és az edény külsejére ráfagy a víz (alábbi ábra).

A gyorsan párolgó éter annyira lehűl, hogy megfagy az edény falával érintkező vízréteg

 

Háztartási hűtőszekrény
Párologtatással

Elvileg most már tudnánk hűtőszekrényt készíteni. Egy jól zárható, jó hőszigetelő falú szekrénybe olyan edényt tennénk, amelyben gyorsan párolgó folyadék van. A folyadék felett csökkentenénk a nyomást, hogy a párolgás gyorsuljon. Akkor lehűlne a hűtőszekrény belseje, és így könnyen elő lehetne állítani fagypont alatti hőmérsékletet is a szekrény belsejében.
De mi lenne, ha elpárologna az egész folyadék? Akkor újat kellene önteni a helyébe és kezdhetnénk elölről.
Sokba kerülne és fárasztó lenne mindig új párolgó folyadékot önteni az edénybe. Ezért valahogyan fel kellene fogni az elpárolgó gőzt, és akkor újra felhasználhatnánk.
Íme, feltaláltuk a hűtőszekrényt.
A hűtőgépszerkesztők dolga most már csak annyi, hogy alkalmas, gyorsan párolgó folyadékot találjanak, és az elpárolgott folyadékot újra felfogják, visszavigyék abba az edénybe, ahol majd újra elpárolog.
Mindez sokféleképpen oldható meg, ezért sokféle hűtőszekrény van.
A szúrós szagú szalmiákszesz közismert anyag. Tegyük fel, hogy egy edénybe zárva cseppfolyós ammóniagázunk van. Ha az edényt kinyitnánk, az ammónia igen gyorsan párologna és az edény hőmérséklete -10° alá szállana (alábbi ábra).

Az abszorbciós hűtőgép működésének vázlata

Az elpárolgott ammónia felfogása könnyen sikerül. Ugyanis a víz nagymértékben elnyeli. Már említettük, hogy 1 liter 0°C-ú víz 1300 liter ammóniagázt nyel el.
Ezért a párolgó ammóniát tartalmazó edényt csővel összekötjük egy vizet tartalmazó edénnyel. Az ammóniagáz a víz fölé jut és a víz mohón elnyeli.
De ezt a víz által elnyelt gázt újra vissza kell juttatni az első edénybe, mégpedig úgy, hogy abban az edényben újra cseppfolyós ammóniává legyen; újra párologhasson, újra hűthessen.
Ez így történik: a vizet gázlánggal vagy elektromos árammal melegítjük. A meleg vízből elillan a gáz és a csövön át visszajut abba az edénybe, amelyből előbb elpárolgott. Ha a csövet is, meg ezt az edényt is vízvezetéki vízzel hűtjük, az ammóniagáz újra cseppfolyósodik.
Ott vagyunk tehát, ahol elkezdtük. A cseppfolyós ammónia megint készen áll az első edényben arra, hogy elpárologtassuk és fagypont alá hűthessük vele a környezetet. Az elpárolgó gázt újra elnyeli a víz, és így tovább.
Ha egy folyadék gázt nyel el, azt mondjuk, hogy a folyadék abszorbeálja a gázt. A jelenséget magát pedig abszorbciónak nevezzük. Ezért annak a hűtőgépnek a neve, amely az előbbi módon működik: abszorbciós hűtőgép.
(Az abszorbciós hűtőgép működését bemutató animáció megtalálható címszavánál.)

 

Hűtőgép párolgó folyadék nélkül

Van olyan hűtőszekrény is, amelyben semmiféle párolgó folyadék nincsen, csupán egy kis villanymotor dolgozik benne, és az készíti a hideget.

Hogyan? Ezt egy kísérletben azonnal meglátjuk (ábra). A kísérletet feltétlenül végezzük el. Nem kell hozzá más, mint egy átlátszó literes üveg. A villanymotort pedig tüdőnk helyettesíti.

Szívjuk meg hirtelen az üveg száját. Köd keletkezik az üvegben. A ködöt az üveg mellé tett tükörben jól meglátjuk, főleg ha az üveg mögé valami sötét felületet teszünk háttérnek

Az üvegben egy pillanat alatt hideget állíthatunk elő úgy, hogy szánkat ráillesztjük az üveg szájára és erőteljesen megszívjuk az üvegben levő levegőt. Ezáltal üvegben a levegő kitágul és lehűl. Ez valóban nagyon egyszerű.
De hogyan lesz szemmel látható az, hogy valóban lehűlt az üvegben a levegő?
öntsünk egy kis vizet az üvegbe, forgassuk meg a palackot, hogy belső oldala nedves legyen, és így láthatatlan vízgőz töltse be a palackot. Ezután gyújtsunk egy szál gyufát. A gyufa parazsát dobjuk az üvegbe. Az esetleges füstöt fújjuk ki az üvegből, hogy az üveg éppen olyan átlátszó legyen, mint előbb.
Ez a megvizezés és a láthatatlanul parányi füstszemecskék bejuttatása nem lényeges. Ez nem tartozik a hűtőgép működéséhez. Csupán azért történt, hogy a lényeget, a lehűlést láthatóvá tegyük.
Szívjuk meg erősen az üveget és tartsuk ott szánkat. Olyan sűrű köd gomolyog az üvegben, mint a felhő. Át sem lehet látni rajta. Ez a köd csak úgy képződhetett, hogy szívás közben kitágult, lehűlt a levegő. A hidegebb levegőből a láthatatlan vízgőz ugyanis apró ködcseppecskék alakjában kicsapódik a lebegő por- és füstszemcsékre és gomolygó ködöt alkot.
Ha visszaeresztjük a levegőt az üvegbe, eltűnik a köd, de újabb szíváskor újra jelentkezik.
A kísérletben szívtuk a levegőt, úgy tágítottuk ki. Ámde technikailag könnyebben megoldható az, hogy egy motorral hajtott dugattyúval összenyomjuk a levegőt, azután engedjük kitágulni. Akkor is lehűl.
Ezt is sikerrel próbálhatjuk azzal a literes üveggel. Illesszük újra szánkhoz, de most ne szívjuk, hanem erős fújással nyomjuk össze a levegőt. Azután hirtelen eresszük ki. A levegő most is hirtelen kitágul. Le kell hűlnie. Valóban most is képződik köd az üvegben, sőt a köd még másodpercekig meg is marad. Bizonyítja, hogy lehűlt levegő van az üvegben.
Íme, ez a lényege az összenyomással, kompresszióval működő hűtőgépnek. Egy motor összenyomja a levegőt. Az összenyomott levegőt tartalmazó edényt kívülről vízvezetéki vízzel hűtik. Azután a levegőt újra kitágulni engedik. Alig hisszük el, annyira lehűl (alábbi ábra).
Például a motorral 50 atmoszférára nyomjuk össze a levegőt. Vízzel 15°C-ra hűtsük le. Ha újra kitágulni engedjük, akkor 2°C lesz a kitágult levegő hőmérséklete.
A hűtőszekrények automatikusan is működhetnek. Ha a szekrény belsejének a hőmérséklete nagyobb lesz, mint kívánjuk, például 0°C fölé emelkedik, akkor egy fémszalag annyira meghajlik, hogy újra bekapcsolja az áramot.

A motorral és sűrítéssel dolgozó hűtőgép működése


Felhasznált irodalom