Эта задача — про второй закон термодинамики, тепловые насосы и почему холодильник греет комнату — даже когда вы просто открыли дверцу.
Тепловой насос, второй закон термодинамики и баланс энергии
📜 Условие:
Вы открыли дверцу холодильника — чтобы найти йогурт.
Проходит минута — вы всё ещё ищете.
Вдруг вы чувствуете — в комнате стало чуть теплее.
Вы думаете:
«Как так? Ведь холодильник — он же охлаждает! Почему от него стало теплее?»
Вопросы:
- Почему при открывании дверцы в комнате становится теплее — даже если компрессор не включался?
- Что происходит, когда компрессор включается — и почему тогда греет ещё сильнее?
- Как связано это со вторым законом термодинамики?
- Можно ли использовать холодильник как обогреватель? Эффективно ли это?
- Бонус: Почему в жаркий день не стоит ставить холодильник “на проветривание” — и как это ухудшает ситуацию?
(Данные:
— Объём холодильной камеры: 200 л = 0.2 м³
— Температура в камере: T_х = 4°C = 277 K
— Температура в комнате: T_к = 25°C = 298 K
— Плотность воздуха: ρ = 1.2 кг/м³
— Удельная теплоёмкость воздуха: c = 1000 Дж/(кг·К)
— Холодильный коэффициент: COP ≈ 3 (современные модели)
🔍 Подробное решение
🌡️ Часть 1: Почему теплее — даже если компрессор не работал?
Потому что внутри холодильника — воздух холоднее, чем в комнате.
Когда вы открываете дверцу — холодный воздух вытекает вниз (он тяжелее), а тёплый воздух из комнаты затекает внутрь.
👉 Но! Теплоёмкость воздуха мала → чтобы нагреть 0.2 м³ воздуха от 4°C до 25°C — нужно мало энергии.
Оценим:
Масса воздуха в камере: m = ρ·V = 1.2 · 0.2 = 0.24 кг
Энергия, чтобы нагреть его до комнатной температуры:
Q = c·m·ΔT = 1000 · 0.24 · 21 = 5040 Дж
👉 Это — эквивалент мощности 84 Вт в течение 60 секунд — почти как лампочка.
Но главное — холодный воздух смешивается с тёплым → средняя температура в комнате растёт, потому что:
- Холодный воздух нагревается → забирает тепло у комнаты,
- Но при смешивании — энтропия растёт → процесс необратим → в итоге — комната получает чистое тепло.
✅ Ответ 1:
Холодный воздух из холодильника вытекает и нагревается, забирая тепло у комнаты.
Но при смешивании — происходит необратимый процесс → в итоге — комната получает чистое тепло (энтропия растёт).
Даже без компрессора — становится теплее.
🔄 Часть 2: Что, если включился компрессор?
Тогда — холодильник работает как тепловой насос:
он забирает тепло изнутри → и выбрасывает его наружу (в комнату) — через заднюю решётку.
👉 При этом — он потребляет электроэнергию → которая полностью превращается в тепло (двигатель греется, компрессор трётся и т.д.).
Если холодильник имеет COP = 3 — это значит:
Он переносит 3 Дж тепла изнутри → за счёт 1 Дж электроэнергии → в комнату попадает 3 + 1 = 4 Дж тепла.
👉 То есть, холодильник — эффективный обогреватель:
на 1 Дж электричества — даёт 4 Дж тепла в комнату.
✅ Ответ 2:
Компрессор забирает тепло изнутри + превращает электричество в тепло → выбрасывает всё это в комнату.
При COP=3 — на 1 Дж электричества → 4 Дж тепла в комнату → греет сильнее.
⚖️ Часть 3: Связь со вторым законом термодинамики
Второй закон:
Тепло само по себе не может перейти от холодного тела к горячему — без совершения работы.
Холодильник — не нарушает этот закон — он совершает работу (электричество → компрессор) → чтобы “выкачать” тепло из холодной камеры → и “вкачать” его в тёплую комнату.
👉 При открывании дверцы — работа не совершается — но процесс идёт самопроизвольно:
тёплый воздух → в холодильник → смешивается → энтропия растёт → это тоже согласуется со вторым законом.
✅ Ответ 3:
Второй закон: тепло не переходит “само” от холодного к горячему.
Холодильник — использует работу (электричество) → чтобы “протащить” тепло против градиента.
При открытой дверце — тепло переходит “по градиенту” — но с ростом энтропии → тоже по второму закону.
🔥 Часть 4: Можно ли использовать холодильник как обогреватель?
Да — и это эффективнее, чем просто электронагреватель!
Почему?
- Электронагреватель: 1 Дж электричества → 1 Дж тепла.
- Холодильник (в режиме теплового насоса): 1 Дж электричества → 3–4 Дж тепла (COP=3–4).
👉 Но! Холодильник не предназначен для этого — перегреется, выйдет из строя.
✅ Ответ 4:
Да — теоретически эффективнее электронагревателя (COP > 1).
Но практически — нельзя — не рассчитан на такой режим → сломается.
🏜️ Часть 5: Бонус — почему не стоит “проветривать” холодильник?
Потому что:
- Если поставить холодильник в жарком помещении — конденсатору труднее отдавать тепло → компрессор работает дольше и мощнее → потребляет больше электричества → выбрасывает ещё больше тепла в комнату → становится ещё жарче.
👉 Это — порочный круг:
жара → холодильник работает интенсивнее → греет комнату сильнее → ещё больше жары.
✅ Ответ 5:
В жаре — холодильнику труднее отдавать тепло → он работает дольше → потребляет больше энергии → выбрасывает больше тепла → в комнате становится жарче.
“Проветривание” холодильника — ухудшает ситуацию.
📊 Сводная таблица:
1. Почему теплее при открытой дверце?
Холодный воздух вытекает → нагревается → при смешивании → рост энтропии → чистый прирост тепла в комнате.
2. Что при работе компрессора?
Холодильник “качает” тепло изнутри + превращает электричество в тепло → выбрасывает всё в комнату → греет сильнее.
3. Связь со вторым законом?
Холодильник использует работу → чтобы перенести тепло “вверх по градиенту”. При открытой дверце — тепло идёт “вниз” — но с ростом энтропии.
4. Можно ли как обогреватель?
Да — эффективнее электронагревателя (COP>1), но нельзя — сломается.
5. Почему не “проветривать”?
В жаре → компрессор работает интенсивнее → больше электричества → больше тепла в комнату → ещё жарче.
😄 Как объяснить это другу на кухне?
«Представь, что холодильник — это “вор в законе”, который крадёт “холод” изнутри и продаёт его… но плату (тепло) оставляет в комнате.
Ты открываешь дверь — он “рассыпает” украденный холод по полу — но холод быстро “исчезает” (нагревается) — и в итоге в комнате становится теплее.
А если он работает — то ещё и “нанимает банду” (электричество), чтобы украсть больше холода — и плату (тепло) снова оставляет в комнате.
Физика говорит: “Хочешь охладить комнату — не открывай холодильник.
Хочешь согреться — поставь два 😉”»
🎓 Почему это важно?
Эта задача — прекрасный пример:
- второго закона термодинамики в быту,
- работы тепловых насосов,
- баланса энергии в замкнутой системе,
- и того, почему “кажется, что холодильник охлаждает дом” — на самом деле он его греет.
А пока — не держите дверцу холодильника открытой.
Не ищите йогурт дольше 10 секунд.
И помните — физика знает: вы не охлаждаете кухню.
Вы — её обогреваете. ❄️→🔥