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