De werking van een koelkast
Maae eerst: wat is warmte en koude
Koelen
Root server » TechTalk » FAQ Witgoed » Koelen » Natuurkunde


Natuurkundige achtergrond

Vooralleer we de werking van een koelkast kunnen uitleggen moeten we uitleggen wat warmte en koude is. De “temperatuur” die wij meten is in feite de mate van beweging van de moleculen. Hoe meer de moleculen bewegen, hoe warmer het onderwerp aanvoelt. De temperatuur die we meten is het aantal botsingen van moleculen tegen elkaar.

Scheikundige reakties gebeuren sneller op een hogere temperatuur omdat er meer botsingen gebeuren. Een scheikundige reaktie kan pas plaatsvinden bij botsingen tussen twee moleculen die met elkaar kunnen reageren. Buskruit (een mengsel van zeer reaktieve stoffen) is stabiel omdat de moleculen naast elkaar vastzitten (vaste stof). Je moet warmte (=beweging) aanvoeren om de reaktie te starten.

Nemen we als voorbeeld water om warmte en koude uit te leggen: bij kamertemperatuur zijn de moleculen dicht bij elkaar. Hoe kouder het water, hoe minder botsingen van de moleculen tegen elkaar. Als we het water verder afkoelen komt er een ogenblik dat de bewegingsenergie van de molecules te laag geworden is om de aantrekkingskracht van de moleculen onderling te overwinnen (Vanderwaalskrachten). De moleculen klitten aan elkaar vast in de vorm van een rooster: het water is bevroren.

Als men vloeibaar water opwarmt, dan stijgt de bewegingsenergie van de moleculen, er zijn meer botsingen onderling, en moleculen kunnen uit het waterbad ontsnappen: dit is verdamping. Verdamping gebeurt reeds op een lagere temperatuur dan het kookpunt. Als het water het kookpunt bereikt, dan wordt de verdamping zeer hevig.

Verdamping

De verdamping trekt warmte uit aan de omgeving. Een natte huid voelt koud aan. Dit is eenvoudig te verklaren: bij de verdamping gaan er watermoleculen weg uit het vloeibaar water. Dit gebeurt dankzij de bewegingsenergie van de moleculen. Het zijn de moleculen met de hoogste energie die het gemakkelijkst uit het waterbad geraken. Wat blijft er dus over in het water: de moleculen met de laagste bewegingsenergie, dus de koudste moleculen. En zo koelt een vloeistof af bij verdamping: de warmte moleculen verdampen en nemen de "warmte" mee in de vorm van bewegingsenergie.

De verdamping zal gemakkelijker gebeuren als de luchtdruk lager is: de moleculen ondervinden immers minder hinder bij het verlaten van het vloeistof. Bij een verhoogde druk zijn er zoveel moleculen in het gas (lucht of waterdamp) dat de moleculen teruggestoten worden in het water. In de bergen kookt water aan 80° en in de boiler van een strijkijzer kookt het water aan 130°.

Samenvatting:
Wat weten we tot nu toe?

  • Dat de temperatuur een maat is van botsing tussen de moleculen onderling.
  • Dat bij verdamping de moleculen met de hoogste kinetische energie uit het vloeistof ontsnappen, en dat de moleculen met de lagere kinetische energie in het vloeistof overblijven.

Compressie en expansie

Als we een gas comprimeren, dan zitten de moleculen dichter bij elkaar. Er is dus ook meer kans dat ze tegen elkaar botsen: de temperatuur (=hoeveelheid botsingen) stijgt. Het omgekeerde geldt ook: bij het verlagen van de druk daalt de temperatuur. Dit merken we bij een compresseur (om banden op te pompen): de lucht aan de uitgang van de compresseur is heet.


Mijn eerste koelkast is uitgerust met een motor van 1.5kW, wordt bij u thuis geleverd op een europalet, maakt een hels lawaai en kan minstens één ijsblokje maken per 24 uur.
Helaas, geen kopers...



Een echte koelkast gebruikt de condensatie en de verdamping om warmte te ontrekken aan het voedsel.

Met wat we weten kunnen we nu onze eerste frigo bouwen: een compresseur en een reservoir waar de hete lucht kan afkoelen. Om een drukverlaging te bekomen laten we de gecomprimeerde lucht door een ventiel lopen. Om contaminatie van de pomp te voorkomen gebruiken we dezelfde lucht opnieuw en opnieuw in een gesloten circuit.

En ons systeem werkt! Na twee dagen kunnen we drie ijsblokjes maken! Fantastisch!

Helaas, er is niemand die onze koelkast wilt kopen.

Wat loopt er mis? We zijn vergeten dat lucht een zeer lage soortelijke warmte heeft: lucht warmt snel op en koelt snel af, maar kan nauwelijks warme vervoeren (daarom loopt er warm water in de radiatoren van de CV en geen warme lucht!). We hebben een compresseur van 1.5kW die dag en nacht draait, maar na twee dagen hebben we slechts 50gram water kunnen bevriezen!

Hetzelfde fenomeen nemen we waar bij een koelkast die zijn ”gas“ verloren heeft: de compresseur draait nog, maar koelt niet. Tja, met een compresseur van nog geen 100W haal je niet dezelfde koelvermogen als met een compresseur van 1500W.

We kunnen echter gebruik maken van een ander natuurkundig fenomeen, die we terloops vermeld hebben: condensatie en verdamping!

We kiezen als gas, een gas dat vloeibaar kan worden onder hoge druk (bijvoorbeeld butaan en pentaan) en vullen ermee onze circuit.

De compresseur perst opnieuw het gas samen. Het gas wordt warm, en de warmte wordt afgevoerd door de koelribben op de leidingen achteraan het toestel. Maar de druk is zo hoog, dat het gas vloeibaar wordt. De moleculen hebben te weinig ruimte om te bewegen en klitten samen. Bij de condensatie komt er veel warmte vrij: de moleculen gaan immers van een status van veel kinetische energie (gas) naar een status van minder kinetische energie (vloeistof). De kinetische energie van het butaan gaat echter niet verloren, maar wordt aan de omgeving overgedragen. De koelribben achteraan de frigo worden warm.

Op het einde van de koelfase wordt het vloeibare butaan dat onderaan de condensor gecollecteerd wordt gevoerd door een fijne buis in de koelruimte. De druk daalt en het butaan gaat hevig koken (je hoort hem brubbelen, zelfs buiten de frigo). Immers, met de verlaagde druk kunnen de moleculen goed uit het vloeistof ontsnappen. Om te verdampen heeft het vloeistof echter energie nodig, en die wordt uit de omgeving gehaald.

Samenvatting:
Wat weten we nu?

  • We kunnen de compressie en expansie van een gas gebruiken om warmte te produceren of warmte te onttrekken aan een ruimte.
  • Een gas heeft echter zo'n lage soortelijke warmte, dat dit fenomeen niet praktisch toegepast wordt: men gebruikt de condensatie en de verdamping.

Als "gas" kunnen we om het even welk gas gebruiken. Butaan is eigenlijk ideaal omdat het gemakkelijk gasvormig en vloeibaar kan worden bij een redelijke druk. Ammoniak moet onder een veel hogere druk gebruikt worden, anders krijgen we het nooit vloeibaar. De werkdruk van de nu verboden CFC's ligt tussen die van butaan en ammoniak. Zouden we lucht (stikstof) willen gebruiken als koelvloeistof, dan zou men onder zeer hoge druk moeten werken.

De hoeveelheid "gas" in een koelkast is zeer laag, hoogstens een paar gram (als vloeistof een bodempje in een glas).

Het "rendement" van een koelkast is hoog: met 1kW produceren we meer warmte (of koude) dan met een zuivere electrische verwarming. Het is dus interessanter om zich te verwarmen met een omgekeerde airco in plaats van zuiver electrisch.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's