열역학과 냉장고

열역학으로 냉장고 원리를 설명할 수 있습니다. 냉장고는 우리가 삶을 향상시킨 발명품 중 하나입니다. 모든 사람이 함께 며칠 동안 음식을 보존할 수 있게 되었습니다. 냉장고 내부의 차가운 온도는 식품의 박테리아 성장을 늦추고 식품을 더 오래 보존합니다. 그러나 냉장고 내부는 어떻게 차갑게 유지되는지 원리를 아시나요? 냉장고 작동 원리는 매우 간단합니다. 기체는 에너지 분자를 밀어내기 위해 노력합니다. 따라서 더 적은 양으로 압축하면 더 뜨거워집니다. 가스를 팽창시키면 갑자기 훨씬 더 많은 부피를 차지할 수 있습니다. 분자에 포함된 열 에너지는 이제 훨씬 더 큰 공간으로 나뉘어 가스 온도가 낮아집니다. 냉장고에서 작동하는 또 다른 원리는 온도가 서로 다른 두 가지가 서로 닿거나 가까이 있을 때 더 뜨거운 표면이 식고 더 차가운 표면이 예열 된다는 것입니다. 이것이 열역학 제2법칙입니다. 냉매라는 특수 가스는 냉장고의 증기 압축 사이클에 사용됩니다. 이전에는 클로로플로로카본였습니다. 그러나 클로로플로로카본의 환경 문제를 만들어냅니다. 즉 오존층의 고갈로 인해 오늘날 사용되는 가스는 테트라 플루오로 에탄입니다. 냉동 사이클을 설명하겠습니다. 압축기는 냉매 증기를 압축하여 압력과 온도를 높이고 이를 냉장고 외부의 응축기 코일로 밀어 넣습니다. 응축기 코일의 뜨거운 가스가 주방의 차가운 공기 온도와 만나면 액체가 됩니다. 이제 고압에서 액체 형태로 된 냉매는 팽창 밸브를 통해 냉동실과 냉장고 내부의 증발기 코일로 흐르면서 냉각됩니다. 냉매는 증발기 코일을 통해 흐를 때 냉장고 내부의 열을 흡수하여 냉장고 내부의 공기를 냉각시킵니다. 마지막으로 냉매는 온도 상승으로 인해 가스로 증발한 다음 압축기로 다시 흘러 가며 사이클이 다시 시작됩니다. 전력이 필요한 냉장고의 주요 구성 요소는 압축기입니다. 원리는 모터에 의해 구동되는 펌프입니다. 냉장고가 켜져 있을 때 들리는 윙윙거리는 소리는 압축기가 작동하는 소리입니다. 온도 조절기는 압축기를 켜고 끄는 방식으로 냉장고의 온도를 제어합니다. 관련 내용을 추가로 설명 드리겠습니다. 일단 폐열의 정의를 아는 것이 중요합니다. 폐열이란 사용되지 못하고 버려지는 에너지를 의미합니다. 즉 에너지 형태가 변환될 때 손실되는 에너지를 의미합니다. 열 엔진의 실용성 측면에서 이해하는 것이 중요합니다. 폐열은 모든 엔진에 필요하며 열 입력으로 수행되는 작업은 시스템의 열 효율과 관련 있습니다. 이상적인 엔진에 대한 열 관련 분석을 사용하여 두 특정 온도 간의 열역학적 교환에 의해 달성될 수 있는 최대 일 량은 카르노 효율로 계산할 수 있습니다. 카르노 효율은 실제로는 도달할 수 없지만 엔진의 열효율을 살펴볼 때 유용합니다. 클라우시우스에 의해 냉동 시스템이 작동하는 방식을 설명할 수 있습니다. 열은 항상 뜨거운 물질에서 차가운 물질로 자연스럽게 흐릅니다. 이것은 클라우시우스가 말했던 걸로 알려져 있습니다. 뜨거운 물 한 그릇에 넣으면 얼음이 녹습니다. 더운 날에는 외부 물에서 얼음이 만들어지지 않습니다. 일상적인 경험은 확실히 이 진술을 뒷받침합니다. 열역학의 제2법칙은 열이 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 저절로 흘러가는 것은 불가능하지만 어떤 형태의 일을 하면 그런 식으로 움직일 수 있다는 것입니다. 냉장고는 장치 내부의 차가운 부분에서 외부의 뜨거운 부분으로 열을 전달하여 차가운 부분을 더욱 차갑게 만듭니다. 이것이 냉장고가 내부의 음식을 시원하게 유지하기 위해 작동하는 방식이며 통풍구에서 뜨거운 공기가 불어오는 것을 느낄 수 있는 이유입니다. 냉장고는 냉장 저장고에서 약간의 열을 가져와서 일부 작업을 수행하고 일부 열을 뜨거운 저장소로 이동을 못합니다. 따라서 냉장고의 효과는 냉장고에서 열을 제거하고 그 열을 뜨거운 저장소로 이동하여 냉장 저장소를 더 차갑게 만드는 것입니다. 이로 인해 냉장고는 본질적으로 반대로 동작하는 열 엔진입니다. 냉장고가 냉장 저장고를 얼마나 잘 냉각시킬 수 있는지 계산할 수 있습니다. 온도가 상승함에 따라 엔트로피가 감소하면 엔트로피 법칙을 위반하면 제2법칙의 클라우시우스 이론을 위반하는 것을 알 수 있습니다. 클라우지우스와 켈빈 플랑크의 진술이 사실인지 이해하는데 있어 가장 중요한 것은 엔트로피에 관한 것입니다. 엔트로피는 무질서도라고 생각하면 됩니다. 폐쇄 시스템의 엔트로피는 결코 감소할 수 없습니다. 이 말은 시스템에 외부 영향이 없음을 의미하는 폐쇄된 시스템을 뜻합니다. 이것은 개방형 시스템이 엔트로피를 감소시킬 수 있다는 것 때문입니다. 엔트로피를 감소시키는 능력이 냉장고가 작동하는 방식이기 때문입니다. 즉 지구는 태양 에너지가 지구 에너지 흐름에 기여하기 때문에 개방형 시스템입니다. 엔트로피는 본질적으로 무질서의 척도이므로 엔트로피가 높을수록 시스템에 더 많은 무질서가 있습니다. 엔트로피와 관련된 것은 에너지 품질이라는 개념입니다. 열은 저품질 에너지인 반면 기계 에너지는 고품질 에너지입니다. 엔트로피가 증가하면 에너지 품질이 감소합니다. 따라서 일반적으로 엔트로피는 자연적으로 증가하므로 에너지 품질이 저하됩니다. 엔트로피 증가와 에너지 품질 감소 사이의 연관성은 연료의 모든 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 없는 이유를 설명합니다. 연료를 태울 수 있으므로 모든 에너지를 저품질 열로 직접 변환할 수 있지만 저품질 열을 고품질 기계 에너지나 전기 로 완전히 전환할 수는 없습니다. 이해가 쉽지 않을 수 있지만 냉장고 동작에 대해 열역학 법칙으로 설명하였습니다. 냉장고, 에어컨 모두 자연적인 흐름을 거스르는 움직임입니다. 즉 열역학 제2법칙 엔트로피가 증가하는 방향이 아닌 거죠. 냉장고만 있다고 하면 불가능합니다. 외부에 개입이 가능하기 때문에 온도를 낮출 수 있는 겁니다.