חום שזורם במעלה ההר
השאירו משקה חם על השולחן והוא יתקרר לטמפרטורת החדר; השאירו משקה קר והוא יתחמם. חום זורם מעצמו מגופים חמים יותר אל גופים קרים יותר, ואף פעם לא להפך. ובכל זאת מקרר עומד במטבח חם ושומר שהחלל שבתוכו יהיה קר יותר מהחדר, יומם ולילה.
הוא עושה את זה בכך שהוא מעביר חום. געו בסבכה השחורה שבגב של מקרר ישן בזמן שהוא פועל, והיא תרגיש חמה: זה החום שנלקח מהמזון, ועוד קצת, שמשתחרר אל החדר. מקרר לא מייצר קור. הוא מוציא חום מתוך תא סגור ונושא אותו במעלה ההר, מהקר אל החם, ולשם כך נדרשת עבודה.
רתיחה סופגת חום
הטריק הוא נוזל שרותח בטמפרטורה נמוכה, שנקרא קרר. רוב המקררים היום משתמשים באיזובוטאן, גז שדומה קצת לגז שבגזייה לטיולים. בלחץ אוויר רגיל הוא רותח בערך ב־−12 °C.
רתיחה דורשת חום. כל קילוגרם של איזובוטאן שהופך מנוזל לגז סופג כ־360 קילוג’ול בלי להתחמם בכלל, באותה דרך שהזיעה מקררת את העור שלכם כשהיא מתאדה. לכן אם גורמים לקרר לרתוח בתוך המקרר, בצינורות קרים יותר מהמזון, חום זורם מהמזון אל הצינורות, והנוזל הרותח נושא אותו משם בצורת גז.
הצינורות שבהם זה קורה הם המאייד. במקרר הזה הם עוברים בדפנות של תא הקרח שלמעלה, העשוי אלומיניום, ולכן זה המקום הקר ביותר במקרר, ונוצר בו כפור.
נסו: הזיזו את הצגת החום שהועבר עד בערך חצי הדרך. בתא הקרח, טיפות כחולות של נוזל הופכות לבועות חיוורות של גז בזמן שהן מסתובבות במעגל.
דחיסה מחזירה את החום
עכשיו יש למקרר צינור מלא בגז קר, שמחזיק את החום של המזון. כדי להיפטר מהחום הזה הוא צריך להפוך את הגז לחם יותר מהחדר, ואז להפוך אותו בחזרה לנוזל. שני הדברים קורים כשדוחסים אותו.
המדחס, הכיפה השחורה שבתחתית, שואב את הגז מצד הלחץ הנמוך אל צד הלחץ הגבוה. גז מתחמם כשדוחסים אותו, והגז החם יוצא מהמדחס בטמפרטורה של כ־50 °C. וחשוב מזה, נקודת הרתיחה של נוזל עולה עם הלחץ. בהגדרות ברירת המחדל הקרר רותח ב־−6 °C בלחץ של 1.25 bar בפנים, ואילו בלחץ של 4.35 bar, פי שלושה וחצי, הוא מתעבה כבר ב־34 °C. זה חם יותר מהחדר, שבו 22 °C.
כך בסבכה השחורה שבגב, המעבה, חום זורם החוצה אל החדר, ותוך כדי שהגז מתקרר הוא חוזר להיות נוזל ומוסר את אותו חום שספג כשרתח. לבסוף הנוזל החם נדחק דרך צינור נימי, צינור נחושת דק כמו סיכה, שמאפשר ללחץ שלו לרדת בחזרה. רבע ממנו רותח מיד, וזה מקרר את השאר לטמפרטורה של המאייד, מוכן לסיבוב נוסף.
נסו: הסתכלו על הסבכה בהצגת החום שהועבר. בועות חיוורות של גז נכנסות בחלק העליון ויוצאות בתחתית כהמון של טיפות כתומות: הנוזל צפוף, ולכן הוא נע לאט ומצטופף.
יוצא יותר חום מהחשמל שנכנס
אנרגיה אף פעם לא נוצרת ולא נעלמת, ולכן כל מה שנכנס למעגל חייב לצאת ממנו. חום נכנס מהמזון; אנרגיה נכנסת כחשמל, דרך המדחס. כל זה יוצא כחום דרך הסבכה. בהגדרות ברירת המחדל, בכל שנייה שהמדחס פועל יוצאים מהמזון 187 ג’ול של חום ונכנסים 70 ג’ול של חשמל, ו־257 ג’ול יוצאים מהגב.
המספר שמדרג מקרר הוא כמה חום הוא מעביר על כל ג’ול של חשמל, מקדם הביצוע שלו (COP). כאן הוא 187 ÷ 70, בערך 2.7. זה לא שובר שום חוק. החשמל לא הופך לקור; הוא מניע משאבה שמעבירה חום שכבר היה שם, והעברת חום יכולה לדרוש הרבה פחות אנרגיה מהחום עצמו.
נסו: הזיזו את הצגת החום שהועבר אל החום שהועבר. החיצים הכחול והצהוב מסתכמים יחד בחץ הכתום, והתרשים שליד הניסוי מציג את הסכום.
למה קר יותר עולה יותר
ככל שמבקשים ממקרר לדחוף חזק יותר, כך כל ג’ול של חום עולה יותר. כדי להעביר חום על פני פער טמפרטורות גדול יותר צריך דחיסה חזקה יותר, ויש גבול נוקשה, שנובע מעבודתו של המהנדס סאדי קרנו על מנועי חום בשנת 1824: לכל מכונה שמעבירה חום ממקום קר בטמפרטורה אל מקום חם בטמפרטורה , שתיהן בקלווין, מתקיים
כאשר הוא מקדם הביצוע שלה. ככל שהפער קטן יותר, הגבול גבוה יותר. מקררים אמיתיים מגיעים רק לחלק ממנו.
מקפיא צריך שהקרר שלו ירתח ב־−28 °C, כל כך הרבה מתחת לטמפרטורת החדר שמקדם הביצוע יורד מ־2.7 ל־1.6. נוסף על כך, כשההפרש גדול יותר נכנס יותר חום דרך הדפנות. שני אלה יחד גורמים לכך שמקפיא ב־−18 °C צורך כמעט פי ארבעה אנרגיה מאותו תא כשהוא נשמר ב־4 °C. מטבח חם פוגע באותה דרך, מהצד השני.
נסו: בחרו מקפיא, ואז גל חום. המד מטפס מ־0.24 ל־1.6 kWh ביום, וב־−25 °C בחדר של 43 °C המקרר פועל בלי הפסקה ועדיין לא עומד בקצב.
רוב הזמן מקרר בכלל לא צריך לפעול: תרמוסטט מדליק את המדחס כשהפנים מתחמם קצת ומכבה אותו כשקר מספיק. התרשים מראה איזה חלק מהזמן הוא חייב לפעול כדי לעמוד בקצב החום שדולף פנימה.
משאבות חום: אותו מעגל, הפוך
הפכו את כיוון המעגל והוא מחמם בית. משאבת חום מציבה את המאייד בחוץ, שם הקרר רותח בטמפרטורה קרה יותר מאוויר החורף וסופג ממנו חום, ואת המעבה בפנים, שם הוא מוסר את החום הזה לרדיאטורים או לאוויר. גם אוויר ב־0 °C מכיל הרבה חום; הוא קר רק בהשוואה אלינו.
מכיוון שהחום שיוצא הוא החום שנשאב פנימה ועוד החשמל, מקדם הביצוע של משאבת חום כמחממת גדול תמיד באחד מזה שלה כמקררת. המקרר בהגדרות ברירת המחדל היה מוסר 3.7 ג’ול של חום על כל ג’ול של חשמל, כשתנור חימום חשמלי מוסר בדיוק אחד. זו הסיבה שמשאבות חום יכולות לחמם בית בשליש מהחשמל של תנור חימום. כמו מקרר, הן עובדות הכי טוב כשהפער קטן: יום מתון ורצפה חמימה עדיפים על כפור עז ורדיאטורים לוהטים.
מזגן הוא שוב אותה מכונה, עם המאייד בחדר והמעבה בחוץ, ולמשאבות חום רבות יש שסתום שמחליף בין שני הצדדים, כך שהן מקררות בקיץ ומחממות בחורף.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הסצנה קובעת את הטמפרטורות שבהן הקרר רותח ומתעבה, 10 °C מתחת לטמפרטורה בפנים ו־12 °C מעל טמפרטורת החדר, ומניחה שהמקרר מגיע ל־40 % מהגבול של קרנו ביניהן. מקררים אמיתיים משנים אותן לפי התכנון שלהם ולפי כמה קשה הם עובדים. ההנחה היא שהמדחס צורך 70 W קבועים בזמן שהוא פועל, כשמדחס אמיתי צורך פחות כשלחץ היניקה נמוך, ואז גם כושר הקירור שלו יורד. הלחצים באים מהתאמה פשוטה לעקומת הרתיחה של איזובוטאן, שסוטה מהערכים הנמדדים בעד 10 % בערך.
מוצג תא אחד בלבד. להרבה מקררים יש מקפיא נפרד, מאווררים שנושבים אוויר על מאייד נסתר, וגוף חימום שממיס את הכפור מדי פעם. החום שנכנס כשפותחים את הדלת, או עם מזון חם, לא נכלל, והפעולה של התרמוסטט, שמדליק ומכבה את המדחס, מוצגת רק כחלק הזמן שבתרשים. בתצוגת הרנטגן הצינורות מצוירים רחבים יותר מבמציאות, והחרוזים של הקרר הם תמונה של טיפות ובועות, לא של מולקולות אמיתיות.