Jak działa chłodzenie: nauka o wymianie ciepła

Nie potrzebujesz dyplomu z fizyki, aby zrozumieć, dlaczego lodówki utrzymują żywność w niskiej temperaturze. Trzeba tylko zdać sobie sprawę, że chłodzenie to zasadniczo przekazywanie ciepła. W szczególności powoduje, że przedmioty stają się zimniejsze w dotyku, pozbawiając je energii. Przyjrzyjmy się podstawowemu mechanizmowi działania czynników chłodniczych.

Weź żaroodporną szklaną miskę i napełnij ją wodą. Będziesz także potrzebował termometru, który może mierzyć temperaturę do 450°F (232°C). Umieść termometr w wodzie i umieść miskę w piekarniku nagrzanym do 204°C (400°F).

Zobaczmy, co się stanie. Woda nagrzewa się do 100°C, po czym zaczyna wrzeć. Chociaż temperatura powietrza w piekarniku wynosi 400°F (204°C), temperatura wody pozostaje na poziomie 212°F (100°C). Nie nagrzeje się bardziej, dopóki ostatnia kropla nie wyparuje. Dopiero wtedy temperatura pustej miski zacznie rosnąć, aż osiągnie tę samą temperaturę co piekarnik.

Wyobraź sobie to w ten sposób. Wyobraź sobie kosmitę imieniem Max, który czuje się komfortowo w piekarniku nagrzanym na 204°C. W przypadku Max temperatura piekarnika jest temperaturą pokojową. Teraz wyobraź sobie, że obok znajduje się miska z wrzącą wodą o temperaturze 212°F (100°C). Wrząca woda wydaje się Maxowi bardzo zimna. Jest o 104°C zimniej niż w normalnym środowisku.

W ten sposób postrzegamy ekstremalne zimno. Czujemy się komfortowo w temperaturze 70°F (21°C). Ciekły azot wrze w temperaturze -320°F (-196°C). Jeśli umieścisz dzbanek z ciekłym azotem na blacie kuchennym, poczujesz się jak bryła lodu. Nie ma w tym żadnej magii. To po prostu duża różnica temperatur w porównaniu do naszej strefy komfortu.

Wyjaśnienie cyklu chłodzenia

Nowoczesne lodówki wykorzystują obwody zamknięte. Ciągle używany jest ten sam czynnik chłodniczy. Możesz powtórzyć ten cykl, używając Maxa i jego miski z wodą. Oto proces krok po kroku:

1. Podgrzej wodę do wrzenia. Woda w piekarniku wrze w temperaturze 212°F (100°C) i zamienia się w parę w temperaturze 400°F (204°C). Max zbiera tę parę w torbie.
2. Sprężanie pary. Para uwalniana jest do stalowego zbiornika pod maksymalnym ciśnieniem. Ciśnienie rośnie. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta również temperatura. Para wewnątrz zbiornika osiąga temperaturę 800°F (427°C). Dla Maxa, który jest przyzwyczajony do temperatur sięgających 204°C, zbiornik wydaje się bardzo gorący.
3. Odprowadzanie ciepła Umieść stalowy pojemnik w piekarniku nagrzanym do 204°C (400°F). Nadmiar ciepła jest odprowadzany do powietrza w piekarniku. Temperatura powraca do 400°F (204°C). Para pod wysokim ciśnieniem skrapla się z powrotem do postaci skroplonej wody pod ciśnieniem.
4. Rozprężanie cieczy. Max uwalnia wodę ze zbiornika ciśnieniowego do kotła. Ciśnienie spada. Woda natychmiast zaczyna ponownie wrzeć, a temperatura powraca do 212°F (100°C).

Powtórz te cztery kroki, a będziesz mieć działającą lodówkę. Tak zwane „zimno” jest w rzeczywistości usuwane z wnętrza lodówki i uwalniane do kuchni.

Dlaczego wzrost jest ważny

Jeśli mieszkasz na poziomie morza, temperatura wrzenia wody wynosi 212°F (100°C). Jednak na obszarach górskich ciśnienie atmosferyczne jest niższe. Temperatura wrzenia spada do około 88–93°C (190–200°F).

Dlatego w instrukcjach gotowania makaronu w pudełku często jest napisane „gotuj dłużej na większych wysokościach”. Ponieważ woda jest zimniejsza, przekazywanie wystarczającej ilości ciepła do żywności zajmuje więcej czasu. Ta sama zasada ciśnienia dotyczy chłodzenia. Im niższe ciśnienie, tym niższa temperatura wrzenia. To jest główny sekret. Gdy obniżysz ciśnienie, płyn stanie się zimniejszy.