Исследовательский проект Физика в моей профессии

Цель проекта : Выяснить какова роль физики в формировании профессиональных навыков студентов по специальности 15.02.06 Монтаж и техническая эксплуатация холодильно-компрессорных машин и установок» Руководитель проекта Мокрова И.И.

Задачи проекта: Выяснить какие физические явления и законы положены в основу работы холодильных установок Систематизировать физические термины, необходимые для изучения устройства и принципа действия холодильных установок. Узнать о взаимодействии законов физики и технологии в связи с новыми подходами к проектированию холодильных установок Познакомиться с историей изобретения холодильной машины. Исследовать роль русских и зарубежных ученых в развитии холодильной техники. Выяснить экологические проблемы использования холодильных установок и способы решения этих проблем

Благодаря этой рекламе сайт может продолжать свое существование, спасибо за просмотр.

Достоверно никто не знает, кто первым пришел к мысли о том, что многие продукты питания хранятся значительно дольше в охлажденном состоянии. Хотя, наверное, подспудно это чувствовали еще в древности, небольшой опыт хранения продуктов, который существовал, подсказывал, что оставленная в тени еда сохранялась дольше, чем на солнце, а зимой продукты оставались пригодными для питания существенно дольше, чем летом. Причина такого чудотворного влияния низкой температуры на продукты заключается в том, что со снижением температуры замедляется скорость жизнедеятельности и размножения бактерий и других микроорганизмов, присутствующих в продуктах. А если понизить температуру достаточно сильно, то «жизнь» бактерий вообще можно остановить. Долгое время единственно доступным способом охлаждения продуктов было использование естественных источников холода — люди собирали в морозную погоду лед с рек и озер и затаривали им погреба и ямы-ледники, а летом там сохраняли продукты. Этим нехитрым приемом мудрые китайцы пользовались еще за тысячу лет до нашей эры. . Египтяне, в силу жаркого климата лишенные возможности запасать лед, использовали специальные сосуды с водой, охлаждавшиеся по ночам. Воздух в пустыне остывает быстро, и его температура ночью может падать почти до 0°С.

Во времена мрачного Средневековья, люди обнаружили, что селитра, растворяясь в воде, поглощают большое количество тепла, вызывая значительное снижение температуры окружающей среды. Это был первый способом искусственного охлаждения, способный охладить продукты или напитки до температуры значительно ниже нуля. Это открытие широко использовалось еще в XVI веке для охлаждения вина, получения, ставших тогда популярными, охлажденных напитков и соков и даже мороженого. Несколькими веками позднее в 1748 г. Уильям Каллен, профессор медицины университета Глазго, известный хирург и терапевт попытался использовать для охлаждения явление охлаждения жидкости при интенсивном испарении. Он использовал  диэтиловый эфир, кипящий в вакууме. Использование вакуума позволило понизить температуру кипения эфира ниже комнатной . В хитроумной установке Уильяма, испаряясь, эфир в виде газа переходил в другую емкость, где, конденсируясь при комнатной температуре, отдавал в атмосферу отобранное в холодильной камере тепло. Таким образом, был сконструирован аппарат, показавший на практике возможность постоянной генерации холода в циклическом процессе. На основе данной технологии работает большинство современных бытовых холодильников. 1748 год можно считать годом рождения технологии искусственного охлаждения. .

Само название «холодильник» (англ. «refrigerator ») было впервые предложено в 1800 г. Томасом Муром, инженером и личным другом президента Джефферсона, Корпус его «холодильника» был из кедра, внутри находился контейнер из металлических листов, изолированных от корпуса кроличьим мехом. Джэйкоб Перкинс в 1834 г. Создал компрессионную установку, работавшую на эфире. Он получил первый в США патент на технологию искусственного охлаждения. Первая рабочая парокомпрессионная система охлаждения была построена Джеймсом Харрисоном в 1851 году. В 1856 году он запатентовал свое устройство, в котором использовались эфир, спирт или аммиак, а к 1861 году в эксплуатации была уже дюжина его охлаждающих систем для производства льда, пивоваренных заводов и упаковки мяса. В 1862 году холодильники Харрисона поступили в продажу. .

XX век — холодильник приходит в дом Первую попытку создать бытовое холодильное устройство сделал немецкий инженер и ученый Карл фон Линде. В 1873 г. он создал компрессионный холодильник с использованием в качестве хладагента метилового эфира, но вследствие его высокой огнеопасности в 1876 г. перешел на использование аммиака. Эта модель нашла применение главным образом в промышленности. Холодильник, предназначенный для домашнего использования, впервые появился лишь в начале XX в. в 1910 г. в Форт Уэйн, США. а в 1915 г. там же, в Форт Уэйн, Альфред Меллоуз разработал модель, представлявшую собой автономную конструкцию с компрессором, находившимся в нижней ее части. В 1916 г. была организована компания по производству холодильников — Guardian Refrigerator Company, выпустившая свой первый холодильник 17 августа 1916 г. В 1918 г. президент General Motors  В. Дюран приобрел компанию Guardian и дал ей имя Frigidaire, что стало поворотной точкой и началом широкого производства и распространения ее холодильных агрегатов. Холодильник приобретает современный вид В течение нескольких лет множество фирм, таких как General Electric разработало свои модели бытовых холодильников. Компрессор в них, как правило, приводился в действие ременным приводом от двигателя, находившегося в подвале дома или в соседней комнате. И лишь в 1927 г. конструкторы General Electric во главе с датским инженером Кристианом Стинстрапом создали модель, все составные части которой были помещены в небольшом шкафу, -конструкция, используемая и сейчас.

Испаритель, компрессор, конденсатор, капиллярная трубка и трубопроводы, соединенные друг с другом определенным образом, составляют холодильный агрегат. Если холодильный агрегат встроить в шкаф с теплоизолирующими стенками, то получится готовый к работе холодильник. Другими словами, холодильный агрегат - это начинка холодильника, на которую возложена вся работа по производству искусственного холода. Агрегат бытовых холодильников является герметичным - внутренние полости всех деталей агрегата сообщаются между собой, но не сообщаются с атмосферой.

Испаритель - деталь, которая интенсивно охлаждается при работе холодильного агрегата и является тем источником холода, за счет которого понижается температура внутри холодильника. Компрессор - это своеобразный насос с электроприводом, заключенный в герметичный кожух. Для соединения с другими деталями холодильного агрегата, на кожухе имеются две трубки. Одна из них является входом насоса (сторона всасывания компрессора), а другая выходом (сторона нагнетания). Конденсатор. Физика процесса получения искусственного холода такова, что при работе холодильного агрегата выделяется большое количество тепла. Конденсатор выполняет роль теплообменника, рассеивая это тепло в окружающем воздухе. Капиллярная трубка – обычная медная трубка, единственной особенностью которой является очень малый внутренний диаметр (около 0.8 мм). Трубопроводы холодильного агрегата – медные, стальные или алюминиевые трубки различного диаметра (обычно, от 4 до 8 мм). Они необходимы для соединения между собой вышеперечисленных частей холодильного агрегата, вернее, для соединения между собой внутренних полостей указанных деталей

Для получения искусственного холода согласно второму закону термодинамики необходимо затратить внешнюю энергию. Температура охлаждаемого изолированного тела при этом будет понижаться, т. е. отнятие теплоты (охлаждение) воспринимается как «передача телу холода». Температура воспринимающего теплоту тела будет повышаться, однако, если теплота передается окружающей среде, имеющей бесконечно большую теплоемкость, ее температура практически не меняется. Температурным пределом искусственного охлаждения является температура, близкая к абсолютному нулю (—273,15°С). Диапазон температур, достигаемый в холодильных машинах, условно делится на две области: область холода умеренной температуры (так называемая область умеренного холода) - до -160 С и область глубокого холода - от -120 °С и ниже. В цикле холодильной машины всегда имеются два внешних источника теплоты: источник теплоты низкой температуры (ИНТ) и окружающая среда или источник теплоты высокой температуры (ИВТ), ИНТ принято называть тело или среду, от которых отводится теплота. Для переноса теплоты от ИНТ к ИВТ в холодильных машинах используются рабочие вещества. Рабочее вещество холодильной машины называют также холодильным агентом (сокращенно хладагентом). Компрессорные холодильные машины используют энергию в виде механической работы. Одним из элементов этих машин является компрессор, сжимающий и перемещающий паро- или газообразное рабочее вещество. В зависимости от типа и мощности компрессора его привод осуществляется от двигателя: электрического, внутреннего сгорания, паровой или газовой турбины

Цикл охлаждения или как работает кондиционер. Хладагент циркулирует по линии закрытого контура и его составляющих частей. Подобные циклы хладагент вынужден непрерывно повторять, и это называется циклом хладагента. На вход компрессора из испарителя (по специальному трубопроводу) поступает холодный газообразный хладагент низкого давления (1). Компрессор нагнетает его под высоким давлением в конденсатор. В процессе сжатия повышаются давление и температура газа. В конденсаторе начинается переход хладагента из состояния горячего пара высокого давления в состояние жидкости высокого давления - процесс конденсации (2). Конструкция конденсатора позволяет эффективно сбрасывать тепло, отводимое от хладагента, в окружающую среду. Жидкий хладагент высокого давления проходит через регулятор потока, который снижает давление, температуру и регулирует подачу хладагента в испаритель (3). Хладагент низкого давления по капиллярной трубке попадает в испаритель, где он начинает кипеть и забирать тепло от воздуха внутри помещения (4). Благодаря ограниченной пропускной способности капиллярной трубки, хладагент поступает в испаритель относительно медленно. Температура кипения хладагента составляет порядка минус 30oС. Попадая в раскаленный (по меркам жидкого хладагента) испаритель, хладагент моментально вскипает, сильно охлаждая стенки испарителя, и переходит в газообразное состояние. Газообразный хладагент низкого давления возвращается в компрессор, и весь цикл начинается заново.

Физические понятия : Молекула, газ, агрегатные состояния вещества, рабочее вещество. Движение ,скорость, импульс, энергия, коэфффициент полезного действия Тепловое движение молекул, температура, теплоемкость, внутренняя энергия молекул, количество теплоты ,давление . Температурная шкала, тепловое равновесие, абсолютный нуль. Электрический ток, сила тока, напряжение, мощность. Цикл, термодинамика, периодичность. Физические процессы : Испарение Охлаждение Нагревание Всасывание Изменение давления Теплообмен Кипение Физические законы : Первый закон термодинамики Второй закон термодинамики Закон Бойля- Мариотта Закон Гей-Люссака Закон Ома для участка цепи Закон Ома для переменного тока

Молекула Моле́кула (новолатинское molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) — частица, образованная двумя или большим количеством атомов, характеризующаяся определённым количеством входящих в неё атомных ядер и электронов, а также определённой структурой. Обычно подразумевается, что молекулы нейтральны (не несут электрических зарядов) и не несут неспаренных электронов (все валентности насыщены), заряженные молекулы называют ионами, молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы (т.е. с неспаренными электронами и ненасыщенными валентностями) – радикалами. Молекулы, образованные сотнями или тысячами атомов называются макромолекулами. Особенности строения молекул определяют физические свойства вещества.

Агрегатное состояние вещества Агрега́тное состоя́ние — термодинамическое состояние вещества, сильно отличающееся по своим физическим свойствам от других агрегатных состояний этого же вещества. Агрегатное состояние определяется физическими условиями, в которых находится вещество, главным образом температурой и давлением.

Скорость Ско́рость (часто обозначается , от англ. velocity или фр. vitesse) — векторная величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчёта. Этим же словом может называться скалярная величина, точнее модуль производной радиус-вектора.

Тепловое движение Теплово́е движе́ние — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул. Хаотичность — важнейшая черта теплового движения. Важнейшими доказательствами существования движения молекул является Броуновское движение и диффузия.

Давление Давле́ние (P) — физическая скалярная величина, характеризующая состояние сплошной среды и численно равная силе , действующей на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности. В простейшем случае анизотропной равновесной неподвижной среды (гидростатическое давление) или идеальной (не имеющей внутреннего трения и анизотропной) движущейся среды давление не зависит от ориентации поверхности. В данной точке давление определяется как отношение нормальной составляющей силы, действующей на малый элемент поверхности.

Испарение Испаре́ние — физический процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (пар) с поверхности жидкости. Процесс испарения является обратным процессу конденсации (переход из парообразного состояния в жидкое). Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение. Кроме того, немаловажными факторами, влияющими на процесс испарения, являются скорость внешней (по отношению к веществу) диффузии, а также свойств самого вещества. Проще говоря, при ветре испарение происходит гораздо быстрее. Что же касается свойств вещества, то, к примеру, спирт испаряется гораздо быстрее воды. Важным фактором является также площадь поверхности жидкости, с которой происходит испарение: из узкого графина оно будет происходить медленее, чем из широкой тарелки.

Кипение Кипе́ние — процесс парообразования по всему объёму жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние). Поскольку при кипении изменяется удельный объём вещества, то кипение — это фазовый переход первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей.

Закон Ома Зако́н Ома — это физический закон, определяющий связь между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника в электрической цепи. Назван в честь его первооткрывателя Георга Ома. Суть закона проста: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению между концами проводника, если при прохождении тока свойства проводника не изменяются. Следует также иметь в виду, что закон Ома является фундаментальным и может быть применён к любой физической системе, в которой действуют потоки частиц или полей, преодолевающие сопротивление..

Законы термодинамики 1-й закон термодинамики представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. 2-й закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в тоже время эквивалентных формулировок этого закона. 1 — Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. 2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе

Изобарным процессом называется процесс изменения состояния термодинамической системы, протекающий при постоянно давлении . 3. Закон установлен в 1802 году французским физиком Гей-Люссаком. Изотермическим процессом называются изменения состояния термодинамической системы, протекающие при постоянной температуре. Закон установлен экспериментально до создания молекулярно-кинетической теории газов английским физиком Робертом Бойлем в 1662 году и французским физиком Эдмоном Мариоттом в 1676 году. Изохорным процессом называется процесс изменения состояния термодинамической системы, протекающий при постоянном объеме. 3. Открыт В 1787 году французским ученым Жаком Шарлем.

Л.С. Карно (1796-1832) - французский  физик, инженер,  показал, что для работы теплового двигателя необходимо не менее двух источников теплоты с различными температурами, иначе это противоречило  бы второму началу термодинамики.

КАРНО (Carnot), Никола Леонар Сади 1 июня 1796 г. – 24 августа 1832 г. Французский физик и военный инженер Никола Леонар Сади Карно, один из основателей термодинамики, родился в Париже в семье видного государственного деятеля наполеоновской эпохи Лазара Карно.. Сади Карно учился в знаменитой Политехнической школе и после её окончания в 1814 г. поступил добровольцем в инженерные войска под командование Наполеона Бонапарта, где и нес службу военного инженера вплоть до падения Наполеона в 1819 г. После этого Сади Карно оставил военную службу и занялся изучением наук, экономики и искусств.  Вернувшись в 1832 году на военную службу в чине капитана, Сади Карно вскоре скоропостижно скончался в возрасте всего 36 лет от холеры. Занявшись теоретическим обоснованием принципов работы паровых машин, Карно стал одним из пионеров термодинамики, предложив свою знаменитую модель идеального двигателя. Свои идеи Сади Карно опубликовал в 1824 г. в форме фундаментального трактата Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу В нём Карно рассмотрел в общем виде вопрос о получении движения из тепла. Анализируя идеальный круговой процесс (известный сейчас как цикл Карно), он впервые пришёл к выводу о том, что полезная работа производится только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному. Карно высказал также положение, что величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, работающего в тепловой машине (теорема Карно).

КЛАПЕЙРОН (Clapeyron), Бенуа Поль Эмиль (26 января 1799 г. – 28 января 1864 г. Бенуа Поль Эмиль Клапейрон – французский физик и инженер, член Парижской АН . Родился в Париже. В 1818 г. окончил Политехническую школу. В 1820-1830 гг. работал в Петербурге в Институте инженеров путей сообщения. После возвращения во Францию был профессором (с 1844) Школы мостов и дорог в Париже. Физические исследования Клапейрона посвящены теплоте,.. Он придал в 1834 г. математическую форму идеям С.Карно, первым оценив большое научное значение его труда исходя из этих идей в 1834 г. вывел уравнение состояния идеального газа, объединяющее закон Бойля – Мариотта, закон Гей-Люссака и закон Авогадро, обобщённое в 1874 г. Д.И.Менделеевым (уравнение Менделеева – Клапейрона). Вывел уравнение, устанавливающее связь между температурой плавления и кипения вещества и давлением, которое было термодинамически обосновано в 1851 г. Р.Клаузисом (уравнение Клапейрона – Клаузиуса ).

Экологические проблемы, возникающие при использовании холодильного оборудования Эмиссия применяемых в ХМ в качестве рабочих тел - фреонов, на рубеже XXI века привела к обострению глобальных проблем, требую­щих срочного решения: уменьшение озонового слоя Земли и усиление парникового эффекта». Так, вклад в парниковый эффект 1 кг хладагента R134a эквивалентен выбросу в атмосферу 1300 кг СО2 . кроме высокого потенциала глобального потепления имеют еще ряд существенных недостатков. Хладагент R134а проверялся на токсичность более 7 лет. Однако есть подозрения, что при эксплуатации холодильных установок могут возникнуть условия, при которых из микропримесей этого хладагента будут образоваться сильнейшие яды на основе фторосодержащих соединений. Будучи сами озонобезопасным, хладагенты этой группы упущенные в атмосферу при эксплуатации холодильных машин, под воздействием солнечных лучей разрушаются по углеродным связям и соединяясь с атмосферным хлором, образуют запрещенные к производству озоноразрушающие вещества (например, R115) Решение проблем- совершенствование экологически чистой холодильной техники, основанной на низкоэффективных принципах получения холода.

Научились: 1.Осознавать значимость коллективной работы для получения результата, оценили положительную роль сотрудничества, совместной деятельности в процессе выполнения творческих заданий, стали более коммуникабельными. В процессе подготовки проекта научились не только высказать свою точку зрения, свой подход к решению проблемы, но и выслушать и понять другую, и, в случае несогласия, уметь конструктивно критиковать альтернативный подход для того, чтобы в итоге найти единое решение проблемы.. 2. Развивать исследовательские умения (анализировать проблемную ситуацию, выявлять проблемы, осуществлять отбор необходимой информации из литературы и Интернета й, фиксировать и анализировать их результаты,, делать выводы и представлять полученные результаты в виде презентации. 3. Выяснили какую важную роль играет дисциплина «Физика» в приобретении профессии технолога холодильного оборудования.

1. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М.: Наука, 1983. 400 с. 2.   . Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М. : Просвещение, 1982. – 448 с. 3.zodchii.ws Кошкин - Холодильные машины и установки 4.Copyright ©2005 Stirling.Ru ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ХОЛОДА: 5. Business Face Процесс охлаждения в системах кондиционирования Авторы проекта : Преподаватель физики Мокрова И.И. Студенты группы М-15