電冰箱七問

(江蘇省連云港市贛榆高級中學高三10班,江蘇　連云港　222100)

電冰箱是家中常用的電器，即使在偏遠的山村，電冰箱也不再是稀罕的物件。電冰箱能夠制冷，用物理術語來說，“能夠將熱量從低溫物體傳給高溫物體。”而熱力學第二定律的克勞修斯表述為“熱量不會自發地從低溫物體傳給高溫物體，而不引起其他變化。”因此，電冰箱常被當作“反面教材”，能否將電冰箱(涉及到熱現象)的原理搞清楚、弄明白，是理解熱力學第二定律的克勞修斯表述的關鍵。在學習中，筆者采用一問一答的形式來幫助其他同學解讀電冰箱，效果很好。

一問：電冰箱的制冷原理是什么？

圖1

如圖1所示，電冰箱由壓縮機、冷凝器、毛細管(節流閥)、蒸發器四部分組成。這四部分由管道相連，組成一個密閉的連通器系統，制冷劑作為工作物質，由管道輸送，經過這四部分完成工作循環。

壓縮機是電冰箱的“心臟”，它消耗電能，對來自蒸發器的制冷劑蒸氣做功，使它變成高溫高壓的蒸氣。然后這些高溫高壓的蒸氣來到冷凝器向低溫的環境放熱，同時自身被冷卻成低溫高壓的液體。這些低溫高壓的液態制冷劑由過濾器濾掉水分和雜質，進入毛細管，經節流膨脹，變成低溫低壓的液體，隨后進入電冰箱的蒸發器。低溫低壓液態制冷劑在低壓條件下迅速液化，從外界(電冰箱內)吸收大量的熱量，使溫度降低，這樣就完成了一個制冷循環。

二問：對電冰箱而言，低溫物體、高溫物體分別是什么？

對電冰箱而言，低溫物體是箱內食品，高溫物體是箱外空氣。

三問：電冰箱的工作物質內能如何變化？

電冰箱的制冷過程可分為三個過程，工作物質內能的變化分別是這樣的：一是電動機推動活塞壓縮工作物質做功，使其內能增加；二是氣態工作物質在冷凝器中液化放出熱量，內能減少；三是液態工作物質在蒸發器中汽化吸收熱量，內能增加。

四問：電冰箱中第三者是誰？

在電冰箱中，熱量的確是從低溫物體傳給高溫物體，但這不是自發的，這個過程必須有第三者介入，這個第三者就是壓縮機。如果沒有壓縮機做功，熱量就會自發地從箱外的高溫空氣傳給箱內的低溫食品。

五問：電冰箱吸收的熱量Q2等于壓縮機所做的功W嗎？

冰箱、空調制冷原理基本相同，空調有一個參數叫“能效比”，就是空調的制冷量(制熱量)與運行功率之比。通俗的講，就是空調用一千瓦的電，能產生多少千瓦的制冷量。例如一空調的制冷量是4800W，運行功率是1860W，制冷能效比是4800/1860≈2.6。這僅僅是5級的能效比，空調的1級能效比為3.4，市場準入的最低能效比是5級。從上面可以看出現行空調的制冷量是大于壓縮機所消耗的電能。雖然冰箱的能效比計算復雜，不像空調那樣能直接給出準確的數字，但可以推斷出電冰箱吸收的熱量大于壓縮機運行所消耗的電能。壓縮機消耗電能主要是用來做功的，不可避免地有能量損失，壓縮機消耗電能肯定大于它所做的功，因此電冰箱吸收的熱量Q2大于壓縮機所做的功W，而不是等于W。

六問：電冰箱制冷過程違反能量守恒定律嗎？

經過一個制冷循環后，冰箱工作物質的內能不變。冰箱從箱內食品中吸收的熱量Q2、外界做功W、向大氣放出的熱量Q1三者滿足的關系為Q1=Q2+W。從表達式中可以看出吸收的熱量大于“外界”做功，也就是壓縮機做的功，并不違反能量守恒定律。

七問：電冰箱的制冷過程違反熱力學第二定律嗎？

在電冰箱中，熱量的確是從低溫物體傳給高溫物體。但這不是自發的，需要壓縮機做功，并引起了第三者的變化，即消耗了電能(如圖2)，因此

電冰箱的制冷過程并不違反熱力學第二定律。

圖2

通過上述七個問題的回答，不僅能夠幫助同學全面理解冰箱的工作原理，而且對熱力學第二定律的克勞修斯表述也有了更深刻的認識。

參考文獻：

[1] 房進權.農村初中“綜合實踐活動:用電冰箱研究物態變化現象”的思考與設計[J].中學物理，2013,(6).

[2] 于金勇.帶著初中生去認識電冰箱[J].湖南中學物理，2010,(9).