电冰箱七问

　

(江苏省连云港市赣榆高级中学高三10班,江苏　连云港　222100)

电冰箱是家中常用的电器，即使在偏远的山村，电冰箱也不再是稀罕的物件。电冰箱能够制冷，用物理术语来说，“能够将热量从低温物体传给高温物体。”而热力学第二定律的克劳修斯表述为“热量不会自发地从低温物体传给高温物体，而不引起其他变化。”因此，电冰箱常被当作“反面教材”，能否将电冰箱(涉及到热现象)的原理搞清楚、弄明白，是理解热力学第二定律的克劳修斯表述的关键。在学习中，笔者采用一问一答的形式来帮助其他同学解读电冰箱，效果很好。

一问：电冰箱的制冷原理是什么？

图1

如图1所示，电冰箱由压缩机、冷凝器、毛细管(节流阀)、蒸发器四部分组成。这四部分由管道相连，组成一个密闭的连通器系统，制冷剂作为工作物质，由管道输送，经过这四部分完成工作循环。

压缩机是电冰箱的“心脏”，它消耗电能，对来自蒸发器的制冷剂蒸气做功，使它变成高温高压的蒸气。然后这些高温高压的蒸气来到冷凝器向低温的环境放热，同时自身被冷却成低温高压的液体。这些低温高压的液态制冷剂由过滤器滤掉水分和杂质，进入毛细管，经节流膨胀，变成低温低压的液体，随后进入电冰箱的蒸发器。低温低压液态制冷剂在低压条件下迅速液化，从外界(电冰箱内)吸收大量的热量，使温度降低，这样就完成了一个制冷循环。

二问：对电冰箱而言，低温物体、高温物体分别是什么？

对电冰箱而言，低温物体是箱内食品，高温物体是箱外空气。

三问：电冰箱的工作物质内能如何变化？

电冰箱的制冷过程可分为三个过程，工作物质内能的变化分别是这样的：一是电动机推动活塞压缩工作物质做功，使其内能增加；二是气态工作物质在冷凝器中液化放出热量，内能减少；三是液态工作物质在蒸发器中汽化吸收热量，内能增加。

四问：电冰箱中第三者是谁？

在电冰箱中，热量的确是从低温物体传给高温物体，但这不是自发的，这个过程必须有第三者介入，这个第三者就是压缩机。如果没有压缩机做功，热量就会自发地从箱外的高温空气传给箱内的低温食品。

五问：电冰箱吸收的热量Q2等于压缩机所做的功W吗？

冰箱、空调制冷原理基本相同，空调有一个参数叫“能效比”，就是空调的制冷量(制热量)与运行功率之比。通俗的讲，就是空调用一千瓦的电，能产生多少千瓦的制冷量。例如一空调的制冷量是4800W，运行功率是1860W，制冷能效比是4800/1860≈2.6。这仅仅是5级的能效比，空调的1级能效比为3.4，市场准入的最低能效比是5级。从上面可以看出现行空调的制冷量是大于压缩机所消耗的电能。虽然冰箱的能效比计算复杂，不像空调那样能直接给出准确的数字，但可以推断出电冰箱吸收的热量大于压缩机运行所消耗的电能。压缩机消耗电能主要是用来做功的，不可避免地有能量损失，压缩机消耗电能肯定大于它所做的功，因此电冰箱吸收的热量Q2大于压缩机所做的功W，而不是等于W。

六问：电冰箱制冷过程违反能量守恒定律吗？

经过一个制冷循环后，冰箱工作物质的内能不变。冰箱从箱内食品中吸收的热量Q2、外界做功W、向大气放出的热量Q1三者满足的关系为Q1=Q2+W。从表达式中可以看出吸收的热量大于“外界”做功，也就是压缩机做的功，并不违反能量守恒定律。

七问：电冰箱的制冷过程违反热力学第二定律吗？

在电冰箱中，热量的确是从低温物体传给高温物体。但这不是自发的，需要压缩机做功，并引起了第三者的变化，即消耗了电能(如图2)，因此

电冰箱的制冷过程并不违反热力学第二定律。

图2

通过上述七个问题的回答，不仅能够帮助同学全面理解冰箱的工作原理，而且对热力学第二定律的克劳修斯表述也有了更深刻的认识。

参考文献：

[1] 房进权.农村初中“综合实践活动:用电冰箱研究物态变化现象”的思考与设计[J].中学物理，2013,(6).

[2] 于金勇.带着初中生去认识电冰箱[J].湖南中学物理，2010,(9).