Wärmelehre

Innere Energie - Wärmekapazität

Kühlschrank

  • Was lässt sich leichter erwärmen, Wasser oder Blei?
  • Warum ist es am Meer oft wärmer als im Landesinneren?
  • Kann man Eisen mit einem Hammer zum Glühen bringen?
  • Warum schwitzen wir eigentlich im Sommer?

Kühlschrank

Kuehlschrank Kuehlmittelkreislauf
Abb.
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Kühlmittelkreislauf eines Kühlschranks
LEIFIphysik/F.A.Z.-Grafik Kaiser

Uns ist heute oft gar nicht bewusst, welchen Komfort wir durch den Besitz eines Kühlschrankes haben. Früher verdarben - gerade im Sommer - die Lebensmittel relativ schnell. Der Besitz eines Eisschrankes, der mit großen Eisstangen bestückt wurde, war purer Luxus, der Betrieb äußerst umständlich.

Beim Betrieb eines Kompressorkühlschrankes nutzt man zwei physikalische Phänomene aus:

  • Zum Verdampfen einer Flüssigkeit ist Energie notwendig.

  • Die Kondensations- bzw. Siedetemperatur einer Flüssigkeit steigt mit dem Druck.

2 Kreislauf des Kühlmittels in einem Kühlschrank. Der Kompressor ist eine Luftpumpe, die das Gas von der Niederdruckseite (links) zur Hochdruckseite (rechts) pumpt

Im Rohrsystem eines Kühlschrankes befindet sich ein Kühlmittel, das bei Normaldruck einen Siedepunkt von ca. -30°C besitzt.

Dieses Kühlmittel gelangt in flüssiger Form bei ca. 1 bar in den Kühlschrank. Da es im Kühlschrank wärmer als -30°C ist, verdampft das Kühlmittel im sogenannten Verdampfer. Die dazu notwendige Verdampfungsenergie wird den im Schrank befindlichen Lebensmitteln entzogen. Das nun gasförmige Kühlmittel wird durch den Kompressor abgesaugt.

Würde der Druck von ca. 1 bar des gasförmigen Kühlmittels beibehalten, so müsste die Temperatur im außerhalb des Kühlschrankes befindlichen Kondensor niedriger als -30°C sein, wenn das gasförmige Kühlmittel wieder flüssig werden sollte (Kondensation). Da dies aber in der Regel nicht der Fall ist (der Kondensator befindet sich auf der Rückseite des Kühlschrankes meist bei Zimmertemperatur) wendet man einen "Trick"an:

Man nützt aus, dass sich die Kondensationstemperatur eines Gases erhöht, wenn das Gas unter erhöhtem Druck steht (vgl. z.B. Siedepunktserhöhung im Dampftopf). Mit dem Kompressor wird der Druck des gasförmigen Kühlmittels auf ca. 8 bar erhöht, dadurch steigt die Siede- bzw. Kondensationstemperatur des Kühlmittels auf Zimmertemperatur.

Das unter hohem Druck stehende gasförmige Kühlmittel gibt im Rohrsystem des Kondensators an die umgebende Zimmerluft Energie ab, das Kühlmittel wird flüssig. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird ebenfalls an die Umgebung abgegeben. Durch ein Reduzierventil (Drossel) wird nun der Druck des flüssigen Kühlmittels soweit reduziert (auf ca. 1 bar), dass die Siedetemperatur wieder -30°C ist. Diese entspannte Kühlflüssigkeit wird nun wieder in den Kühlschrank geleitet und der ganze Prozess wiederholt sich.

Verständnisaufgabe

Kuehlschrank Energiefluss Animation
Abb.
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Energiefluss bei einem Kühlschrank
Die Animation zeigt den Energieflusses im Kühlschrank.

Drücke den Wirkungsgrad eines Kühlschrankes durch Größen aus, die in der Animation gegeben sind.

Lösung

Der Wirkungsgrad ist stets das Verhältnis von Nutzenergie (hier Q2: Wärme, die dem Kühlschrank entzogen wird) zu aufzuwendender Arbeit (hier W: Arbeit, die vom Kompressor verrichtet werden muss): \(\eta = \frac{Q_2}{W}\)

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