CHLADNIČKA                                                                                                                                             ÚVOD

 

 

Fyzikálne deje: Termodynamika – prenos tepla, vyparovanie a skvapalňovanie

Didaktické použitie (ročník, tématický celok, téma):

8. ročník ZŠ (kvarta); PRÁCA. ENERGIA. TEPLO; Vnútorná energia. Teplo; Premeny skupenstva látok

2. ročník SŠ; MOLEKULOVÁ FYZIKA A TERMODYNAMIKA; Termika a termodynamika; Štruktúra a vlastnosti plynov; Tepelné stroje

História a princíp činnosti:

Naši dávni predkovia žijúci v jaskyniach mali aj počas teplých dní vo svojich obydliach zimu a asi im nechýbala chladnička. Možno už oni zistili, že im potrava uložená v chlade vydrží dlhšie.

Už okolo roku 2500 pred n.l. zistili, že ak vzduch prúdi, pôsobí na ľudské telo chladivo. V tých oblastiach, kde sa výrazne menili teploty s ročnými obdobiami, si ľudia začali v zime robiť zásoby ľadu a snehu. Používali ho najmä na chladenie nápojov v teplých dňoch, ale aj ako prostriedok na predĺženie trvanlivosti potravín. Neskôr začali vyrábať veľké drevené debny na ukladanie potravín. Tieto debny ukladali do rieky, pričom nimi pretekala voda.

„Iný princíp chladenia využívali Američania, ktorí si všimli, že chladný vzduch klesá dole a teplý stúpa nahor. Preto vytvárali miestnosti, v ktorých potraviny ukladali dole a ľad bol v hornej časti. Tak dochádzalo ku kolobehu vzduchu, pričom chladný vzduch odoberal teplo z uskladnených potravín a stúpal hore, kde sa znova ochladzoval [8]."

Všetky spomínané spôsoby chladenia sú závislé od prírody. Medzi ne patrí aj spôsob, ktorý sa dal využívať priamo v  domácnostiach – prvá domáca chladnička.

Bola to veľká plechová skriňa s dvojitými stenami, medzi ktorými bol ľad privážaný z ľadovní. Prvý patent na chladničku udelili v roku 1801 Francúzovi Focard-Chateauovi, ktorý zostrojil štyri do seba vložené skrinky s izolačnými vrstvami vyplnenými ľadom.

Za vynájdenie praktického využitia princípu chladenia však môžeme vďačiť až Jacobovi Perkinsovi, ktorý v roku 1834 zistil, že niektoré tekutiny sa vyparovaním ochladzujú. Nezávisle od Perkinsa objavil chladiaci efekt aj Škót John Harrison žijúci v Austrálii, ktorý si všimol chladiacich účinkov éteru, ktorý používal na čistenie kovových tlačiarenských písmen. Vytvoril projekt, podľa ktorého sa začali vyrábať chladničky predvádzané aj na Medzinárodnej výstave v roku 1862. Prvú chladničku pre domácnosť vyrobil v roku 1879 nemecký inžinier Karl von Linde. Ako chladiaci prvok použil čpavok. V 20. rokoch 20. storočia bola vynájdená elektrická chladnička. Na trh ju prvýkrát uviedli švédski inžinieri Balzer von Platen a carl Munters v roku 1923. Na pohon kompresora použili elektromotor a svoj model nazvali Electrolux. A k tejto histórii pridávame aj niekoľko citácií z knihy Stroje zimo a ľadotvorné, ktorú napísal Ing. Z. Šíma a vydala ju kníhtlačiareň I.L. Kober v roku 1923.

„ Donedávna vykonávalo sa chladenie ľadom prírodným v ľadových pivniciach, ľadniciach a ľadničkách. V modernej dobe vyrába sa umelý chlad zimo- a ľadotvornými strojmi. Ťažba ľadu prírodného a dovážka jeho je často drahá a neistá. Cena ľadu prírodného v lete býva veľmi značná...

Ľadničky

"Ľadničky sú skrine slúžiace na chladenie potravín. Chladenie sa deje s kusom ľadu, ktorý sa do ľadničky vkladá a v nej sa pozvoľna topí, odoberá pritom okoliu teplo...Izolačným prostriedkom teplo špatne vodiacim býva obyčajne rašelina, korkové platne alebo korková lepenka, plevy, odpadky bavlny aj vlny, drevitá vlna.

Ľad môže byť v domácnosti prechovávaný na kratšiu dobu (asi 1 mesiac) bez ľadničky takto opatrený: Na dno väčšieho suda kolmo postaveného nasype sa vrstva pilín, do neho postaví sa menší sud a medzera medzi nimi vyplní sa pilinami. Dná oboch sudov sú prevŕtané pre odpad vody. Vnútorný sud naplní sa ľadom, celok prekryje sa poklopom a slameným vankúšom, postaví sa do chladnej pivnice a zakryje sa slamou...  [8]."

                                                                                       

                                                                                          Historická chladnička

Výrobu chladničiek umožňuje odvetvie fyziky zvané termodynamika, ktoré sa zaoberá prenosom tepla. Človek, ktorý si prvý všimol, že vyparovanie má chladiaci účinok, však nebol fyzik, ale škótsky lekár William Cullen, ktorý sa stal chemikom.

Cullen urobil len to, že v roku 1756 opísal svoje pozorovania v článku. Jeho práca však iniciovala rad ďaľších projektov, ktoré boli veľmi dôležité pre vývoj moderného chladiaceho systému. Najdôležitejší z nich bol pokus Londýnčana Michaela Faradaya, ktorý ukázal, že kvapalný čpavok ochladzuje, a ľadový stroj Američana Dr. Johna Goorieho na ochladzovanie vzduchu v miestnostiach pacientov chorých na žltú horúčku.

Chladnička funguje na základe dvoch fyzikálnych princípov : vyparovania a skvapalňovania.

Chladnička je tepelný stroj, ktorý využíva cyklické stláčanie a rozpínanie plynu. Čím viac plyn stlačíme, tým viac sa zahreje a dodá viac tepla do okolia. Pri rozpínaní do pôvodného stavu sa, naopak, ochladí. Stláčanie plynu prebieha mimo skrine chladničky a rozpínanie vo vnútri. Keď sa pozriete na zadnú stenu chladničky, je tam trubička v mriežke, ktorá hreje. Aby chladnička dobre chladila, nesmie stlačený plyn zostať horúci. Preto zadnú časť chladničky nezakrývame, aby sme umožnili ochladzovanie mriežky prúdiacim vzduchom.

Chladnička je teda zariadenie, ktoré spôsobuje pohyb tepla. Odoberá teplo zo svojho vnútra, ktoré sa vďaka úniku tepla ochladzuje. Chladnička prenáša teplo von, kde sa uvoľňuje do vzduchu. Chladničky fungujú na princípe vyparovania. Keď sa kvapalina vyparuje, stráca teplo a ochladzuje sa. Spôsobené je to tým, že molekuly plynu potrebujú energiu na pohyb a uvoľnenie z kvapaliny. Zdrojom tejto energie je kvapalina. Molekuly, ktoré zostanú v kvapaline, majú menej energie, a preto sa kvapalina ochladzuje.

V chladničke sa nachádza :   Kompresor – ten udržiava v pohybe chladivo v rúrkach. Kompresor čerpá kvapalinu z výparníka do chladiča. Táto sa potom vracia späť cez expanznú rúrku. Je to pumpa, ktorá stláča chladiacu látku a tá sa pri tom ohrieva.

                                                     Kondenzátor – potrubie, kde sa zahriate chladivo okolitým vzduchom ochladzuje a skvapalňuje .

                                                     Úzka trubička – škrtí prúd chladiva prúdiaceho pod tlakom z kondenzátora do výparníka.

                                                 Výparník – chladivo prichádza z expanznej rúrky pod nízkym tlakom, v dôsledku čoho sa v rúrke vyparuje a ochladzuje. Výparník je potrubie, ktoré sa nachádza vo vnútri chladničky, v ňom chladivo vrie, rozpína sa a ochladzuje. Toto potrubie je omotané okolo krabice, kde je v chladničke najchladnejšie.

                                                   Chladič – chladivo vo forme pary opúšťa kompresor pod vysokým tlakom. Keď prúdi cez chladič, výpary sa pod vplyvom vysokého tlaku zrážajú späť na kvapalinu. Pritom sa uvoľňuje teplo, a preto je chladič teplý. Chladič sa nachádza v zadnej časti chladničky a teplo sa uvoľňuje do vzduchu okolo chladničky [5].

 

                                                                            

                                                                                    Kompresorová chladnička

Bez chladničiek si už nevieme predstaviť život, ale na druhej strane ich prítomnosť na našej planéte nie je celkom neškodná. Mnohé z chladiacich látok, ktoré sa používali v domácich chladničkách v 50. rokoch minulého storočia, boli chemické látky chlórfluóruhľovodíky (CFC), napríklad freón ( chlórfluórmetan). Zdalo sa, že sú to zázračné chemikálie, pretože neboli jedovaté, vyparovali sa pri nízkych teplotách a neboli drahé. Nikto si však neuvedomil, že keď CFC vytiekli z chladničiek, veľmi poškodili ozónovú vrstvu Zeme. Začiatkom 90. rokov minulého storočia sa výrobcovia chladničiek snažili nájsť také chladiace látky, ktoré by sa dali používať namiesto CFC. Vyskúšali mnoho chemických látok, ale nijaká z nich nebola taká priaznivá pre životné prostredie ako chemikália zvaná Greenfreeze, ktorú vyrobili v roku 1992. Prvá spoločnosť, ktorá vo svojej výrobe začala používať novú chladiacu látku, bola Bosch-Siemens Hausgeräte (BSH), tretí najväčší výrobca domácich spotrebičov na svete [9].

                                                                               

                                                                                        Moderná chladnička

 

Motivačné otázky:

Prečo je v chladničke chladiace zariadenie hore?

 Pretože chladný vzduch klesá dolu a ochladzuje celý priestor. V opačnom prípade by bolo v chladničke chladno len dolu.

Ktoré mraziace boxy sú z ekonomického hľadiska výhodnejšie? Skriňové alebo truhlové?

 Truhlové sú výhodnejšie, pretože pri otvorení z nich „nevyteká“ studený vzduch.

Na akom všeobecnom fyzikálnom princípe funguje chladnička?

Prebieha v nej kruhový dej v opačnom smere, ako v tepelnom motore. V tepelnom motore koná pri expanzii prácu pracovná látka s vysokou teplotou. Pri následnej kompresii už   chladnejšej pracovnej látky, koná prácu vonkajšia sila a pracovná látka odovzdáva teplo do okolia.

V chladiacom stroji teda naopak expanduje pracovná látka nižšej teploty a pritom odoberá teplo svojmu chladnému okoliu(vnútornému priestoru chladničky). Pri následnej kompresii za vyššej teploty, kedy koná prácu jej elektromotor, odovzdáva pracovná látka teplo trubkovému systému na zadnej stene chladničky.

V chladničke prebieha proces stláčania plynu až k jeho kondenzácii a proces rozpínania plynu začína jeho intenzívnym vyparovaním, ktoré sprevádza silný odber tepla z tzv. výparníku vo vnútri chladeného priestoru chladničky. 

Je možné chladničkou ochladzovať vzduch v miestnosti?

 Ak bude chladnička umiestnená v miestnosti, potom to nie je možné. Podľa zákona zachovania energie je teplo do miestnosti odovzdané väčšie ako teplo z vnútorného priestoru odobraté o energiu, ktorá bola dodaná elektromotoru na pohon chladničky. Ak však umiestnime do miestnosti len jej vnútorný priestor, chladnička bude mať možnosť ochladzovať miestnosť.

Prečo je nutné staršie chladničky vždy po určitej dobe odmrazovať? Prečo si to novšie typy nevyžadujú?

 Na chladiacich prvkoch chladničky dochádza k desublimácii vodných pár. Vzniknutá vrstva ľadu svojimi izolačnými účinkami zoslabuje prenos tepla z vnútorného priestoru do chladiaceho média a zoslabuje tak chladiaci účinok. Pri starších typoch chladničiek sa ľad odstraňuje roztopením po vypnutí chladničky. Pri súčasných typoch sa tvorbe ľadu zabraňuje rôznymi spôsobmi za chodu chladničky, napr. nútenou cirkuláciou sa vzduch vo vnútri chladničky necháva preháňať intenzívne chladenou doštičkou, ktorá z nej vodné pary „vychytáva“ [2].

Vysvetlite opodstatnenosť správneho uloženia potravín v chladničke.

Teplota vo vnútornom priestore  chladničky nie je všade rovnaká. Po otvorení dverí chladničky vnikne z miestnosti do vnútorného priestoru chladničky teplý vzduch. Teplý vzduch je ľahší ako studený a preto stúpa do hornej časti chladničky. Z dolnej časti chladničky je studený vzduch vytláčaný von. Po uzavretí dverí chladničky sa začne vzduch v chladničke ochladzovať. Vo vnútornom priestore chladničky dochádza k cirkulácii vzduchu. Najnižšia teplota sa udržiava v spodnej časti chladničky, o niečo teplejšie je v jej hornej časti. Maslo, jogurty, salámy, ktorým k udržaniu trvanlivosti postačuje aj vyššia teplota, umiestňujeme do horných častí chladničky. Zelenina potrebuje na uskladnenie o niečo nižšiu teplotu, preto ju umiestňujeme do spodnejších častí chladničky. 

Ako je zabezpečené, že pri otvorení dverí chladničky sa žiarovka vnútorného osvetlenia rozsvieti a pri ich zatvorení žiarovka zhasne?

Kým je chladnička zatvorená, je zbytočné, aby sa v nej svietilo. Na vnútornej strane dverí sa nachádza spínač. Pri zatvorení dverí chladničky sa spínač stlačí, pri otvorení sa uvoľní. Kým je spínač stlačený, elektrický obvod napájajúci žiarovku je prerušený a žiarovka nesvieti. Po otvorení dverí chladničky sa uvoľnením spínača uzavrie elektrický obvod napájajúci žiarovku a žiarovka zasvieti.

Akým spôsobom je zabezpečené, že dvere chladničky priľnú k rámu chladničky a držia sa zatvorené?

Dvere chladničky majú na svojom obvode umiestnenú gumenú tesniacu obrubu. Ide o špeciálnu gumu, do ktorej bola počas jej výroby umiestnená magnetická látka. Pri zatvorení dverí je gumená obruba pritlačená na kovový rám chladničky. Medzi magnetickou látkou a kovovým rámom chladničky pôsobí príťažlivá magnetická sila, ktorá prichytí dvere ku kovovému rámu chladničky.

Prečo vzniká v mrazničke námraza?

Otvorením dvierok vnikne do mrazničky teplý vzduch z miestnosti. Teplý vzduch obsahuje vodné pary. Pri ochladení vzduchu pod jeho teplotu rosného bodu prislúchajúcu aktuálnej vlhkosti, dôjde v mrazničke ku kondenzácii (príp. až desublimácii) vodných pár na stenách mrazničky a na obaloch potravín. V mrazničke sa udržuje teplota pod bodom mrazu. Kvapôčky vody zamrznú a vytvoria sa kryštáliky ľadu. Pri opakovanom otváraní dvierok dochádza vďaka tepelnému prúdeniu vzduchu k prísunu vodných pár do mrazničky a proces vytvárania námrazy sa opakuje.