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断熱膨張による冷却

2011年10月 1日 17:26

一般家庭で使用されている冷蔵庫はなぜ冷えるのでしょう?

「電気で冷やしているから」 というのは小学生の答えですね。

冷蔵庫が冷える原理を理解するため、物を冷やす二つの現象をご説明致します。


まず一つ目は、気体を急激に圧縮させ、一気に膨張させる方法です。
これは「断熱圧縮」「断熱膨張」の原理を利用します。

「断熱圧縮」とは?

おもちゃの注射器で容器の口に栓をして、ピストンを容器に勢いよく押し込んで、反発力
に負けずに押し込んだまま位置で止めます。すると、容器が熱くなっていることがわかる
と思います。これが断熱圧縮です。

圧縮する前の空気の圧力P1 、体積をV1 、温度をT1 としたとき、圧縮された空気の圧力を
P2 、体積をV2 、温度をT2とした場合、熱力学の第二法則と気体の状態方程式から

P1 x V1 γ = P2 x V2 γ   or  T1 x V1 γ-1 = T2 x V2 γ-1

という式が成り立ちます。
ここでの γ は比熱比と呼ばれる定数になります。空気の場合は γ = 1.4 になります。
T1 , T2 は「絶対温度」と呼ばれる温度で、単位はケルビン K が使われます。
例えば30℃の空気の体積を 1 / 20 に圧縮したら、空気尾の温度は720℃にまで上がります。
そこで先ほどの押し込んだピストンにより熱せられた空気をそのまま放置しておくと、元の
時間はかかりますが30℃まで戻ります。そこで、今度は押し込んだピストンを一気に勢いよ
く引っ張ります。

するとどうなるでしょう?

容器が冷たくなります。これが「断熱膨張」です。
30℃の空気の体積を20倍に断熱膨張させると、空気の温度は -173℃まで下がる計算になり
ます。注射器の気体を断熱圧縮して冷ました後に気体を断熱膨張させる変化を繰り返せば、
定常的に物を冷やすことができるのです。

ちなみに空気にあたる物が冷蔵庫の場合、冷媒物質フロンになります。
フロンは、通常時には気体ですが圧力が高いと液体に変化をします。この物性を利用しコン
プレッサーで断熱圧縮したあと冷却され高圧の液体に変化させると、圧力を急激に下げて蒸
発作用を促進させると気化熱により周囲の温度を奪いますので冷却されることになるのです。
気体に戻った冷媒フロンをコンプレッサーに戻し同じ工程を経て連続的に冷却させるのです。
コンプレッサーの騒音を解消するため、電気的に熱の移動を行えるペルチェ素子による冷却
方法が多く採用されつつあり小型のクーラーボックスやPCの冷却などに広がりつつあります。

クーラーや冷蔵/冷凍庫用の冷媒フロンや冷媒ガス配管工事など
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ありがとうございます

今日の埼玉県さいたま市のお天気は?
 2011年10月1日 土曜日
 ※「ピスト」と呼ばれる最初からブレーキがない自転車が人気を呼び、片輪しかブレーキのない
  タイプも含めて警視庁は取り締まりを強化しています。有名漫才コンビが先日刑事処分の対象
  となる交通切符(赤切符)が交付されております。所有者はご注意ください。

 天気 はれ
 気温 19℃

です。

普段やさしい隣人ジキルは、その時人を捨て兵士ハイドになる。

ほとんどの社会の中にこういう手合いは存在している。
そしてまことに困ったことには、それぞれの社会でそうした生き方こそ
望まれる人材とされていることだ。
丁度あの忌まわしい戦争のさなかに鑑とされたある種の兵士のように。

「左岸より」倉本聰著のなかから抜粋

 by との

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