Представьте: летний зной, духота, термометр показывает +30. У вас есть холодильник. Логика подсказывает: открой дверцу, пусти холод в комнату, получишь прохладу. Вы открываете, чувствуете приятную волну холодного воздуха... и через час удивляетесь, почему стало еще жарче.
Эту интересную тему предложил читатель Александр Плешаков. В его юности встретилась такая задача на вступительном экзамене в вуз.
Закрытая комната, в которой стоит работающий холодильник. Температура постоянная.
Вопрос: что произойдет с температурой в комнате, если холодильник открыть?
Подобные задачи очень любят физики. Их главная ценность - они стимулируют поразмышлять с точки зрения законов физики. И это подчас даже ценнее правильного ответа (а уж на экзамене точно учитывалось!).
Добро пожаловать в один из самых коварных парадоксов бытовой физики. Открытый холодильник не охладит вашу комнату. Он её нагреет. И это термодинамика во всей своей красе!
Обманчивая прохлада
Когда вы распахиваете дверцу холодильника в закрытой комнате, первое, что вы чувствуете — холод.
Из камеры выходит воздух температурой 0–5°C. Он тяжелее комнатного, стекает вниз, расстилается по полу. Если вы встанете рядом босыми ногами, ощутите прохладу ступнями. Кажется, что план работает.
Но это локальный эффект. Холодный воздух быстро смешивается с теплым комнатным — объем холода крошечный по сравнению с объемом помещения. Да, на несколько минут у дверцы станет свежее. Общая температура в комнате при этом либо не изменится, либо упадет на доли градуса.
Но одновременно сзади холодильника начинается настоящая история.
Там расположен радиатор конденсатора — железная решетка, которая всегда горячая на ощупь. Через неё холодильник выбрасывает тепло. И не просто то тепло, которое забрал из камеры. А это тепло плюс энергия, которую компрессор потребил из розетки.
Формула простая: холодильник забирает из камеры Q единиц тепла, но отдаёт в комнату Q + L, где L — работа компрессора.
Электроэнергия, которую холодильник забирает из сети, не исчезает в никуда. Она целиком превращается в тепло и выходит через радиатор.
Холодильник — это тепловой насос, который перекачивает тепло из одного места в другое. А в закрытой комнате «другое место» — это всё та же комната. Итого: вы получаете обратно всё, что холодильник забрал из камеры, плюс бонусом тепло от работы мотора.
Почему интуиция вас подводит
Люди привыкли, что холодильник охлаждает. Вы кладете туда продукты — они холодеют. Логично ожидать, что если открыть дверцу, холод распространится по комнате. Но тут две ошибки в рассуждении.
Первая: холодильник не производит холод. Он производит разницу температур. Забирает энергию из камеры (та становится холоднее) и выбрасывает её наружу (там становится теплее). Это как насос, который перекачивает воду из одного ведра в другое. Если оба ведра в одной комнате, количество воды не изменится — просто распределится иначе.
Вторая: вы видите только часть системы. Холод у дверцы заметен — он прямо перед вами. Тепло сзади — невидимо, если специально не подойти и не приложить руку к решетке. Мозг фиксирует холод и игнорирует тепло. А тепла всегда больше, потому что компрессор добавляет энергию.
Это похоже на ситуацию с кондиционером. Летом вы включаете его в комнате — становится прохладно. Почему? Потому что кондиционер выбрасывает тепло за окно, за пределы помещения.
У холодильника такой возможности нет и вся энергия остаётся внутри нашей системы (комнаты).
Что покажет термометр через час
Давайте посчитаем конкретно. Возьмём обычный холодильник мощностью 200 Вт и небольшую кухню объёмом 20 кубометров (это примерно 3×3 метра при высоте потолка 2,2 м).
Холодильник работает час. За это время он потребляет:
- 200 Вт × 3600 секунд = 720 000 джоулей энергии
Эта энергия целиком превращается в тепло и попадает в комнату через радиатор конденсатора. Воздух в кухне весит около 25 кг (плотность воздуха примерно 1,2 кг/м³). Теплоемкость воздуха — 1000 Дж/(кг·°C).
Считаем прирост температуры:
- 720 000 Дж / (25 кг × 1000 Дж/(кг·°C)) = 0,3–0,4°C.
Но это при условии, что компрессор работал как обычно — циклами (включился, выключился). При открытой дверце терморегулятор не срабатывает. Компрессор молотит без остановки, пытаясь охладить камеру, из которой непрерывно вытекает холодный воздух. Нагрузка возрастает в разы. Реальный прирост температуры через час может достичь 1–3°C.
К вечеру в вашей «охлаждённой» комнате будет на несколько градусов жарче, чем было утром. Поздравляем, вы превратили холодильник в обогреватель.