Die Gefriermagie von Prinzessin Elsa ist so mächtig!

Wie mächtig ist Prinzessin Elsas Gefriermagie?

Autor: Zhu Lei

Kinder, die „Die Eiskönigin“ mögen, wissen, dass Prinzessin Elsa magische Kräfte hat. Sie muss nur ihre Handschuhe ausziehen und mit den Fingern strecken, um eine große Fläche sofort zu Eis zu gefrieren.

Aus physikalischer Sicht entspricht Prinzessin Elsa einem leistungsstarken Kühlschrank, der den Wasserdampf in der Umgebungsluft schnell abkühlen und zu Eis gefrieren kann.

Was ist das physikalische Prinzip eines Kühlschranks?

Werfen wir einen Blick auf den Kühlschrank, den wir zu Hause verwenden. Es kann den Wasserdampf in der Luft im Gefrierschrank zu Eis gefrieren lassen, da die Temperatur im Gefrierschrank bis zu minus 18 Grad Celsius betragen kann. Die Umgebungstemperatur außerhalb des Kühlschranks kann 40 Grad Celsius betragen. Wenn der Kühlschrank keinen Strom mehr hat und nicht mehr funktioniert, entspricht die Temperatur im Gefrierfach der Umgebungstemperatur außerhalb des Kühlschranks und die Eis am Stiel, die Sie mit so viel Mühe eingefroren haben, schmelzen einfach weg. Sobald der Kühlschrank eingeschaltet ist, wird der Kompressor durch Strom angetrieben und komprimiert das gasförmige Kühlmittel. Das gasförmige Kältemittel gewinnt an Energie, sein Druck steigt und auch seine Temperatur steigt. Nach dem Eintritt in den Kondensator gibt es Wärme ab und kondensiert zu Flüssigkeit.

Anschließend gelangt die Flüssigkeit in das Kapillarrohr, wo der Druck aufgrund des Widerstands des Kapillarrohrs abnimmt und in den Verdampfer gelangt. Der Kompressor dehnt sich wiederum aus, wodurch der Druck im Verdampfer weiter reduziert und die Verdampfung der Flüssigkeit beschleunigt wird. Verdunstung ist ein endothermer Prozess, der dem Gefrierschrank Wärme entzieht, wodurch die Temperatur des Gefrierschranks sinkt.

Der Kompressor arbeitet in einem Dauerbetrieb und lässt das Kühlmittel im Kondensator, im Kapillarrohr und im Verdampfer zirkulieren, wodurch die Temperatur im Gefrierschrank auf minus 18 Grad Celsius gesenkt werden kann.

Fluorfreie Kühlschränke und Schutz der Ozonschicht

Freon ist ein organisches Kühlmittel, das leicht verdampft und verflüssigt wird. Es kann jedoch Chlor zersetzen und chemisch mit der Ozonschicht in der Atmosphäre reagieren, wodurch die Ozonschicht zerstört wird. Die Ozonschicht absorbiert den größten Teil der ultravioletten Strahlen im Sonnenlicht und schützt so Menschen, Tiere und Pflanzen auf der Erde vor den Schäden durch ultraviolette Strahlen.

Wir haben bereits erwähnt, dass eine längere Einwirkung ultravioletter Sonnenstrahlen zu Hautschäden führen kann. Daher ist die Ozonschicht für den Schutz unserer Gesundheit von entscheidender Bedeutung und Freon ist der Killer, der die Ozonschicht zerstört. Aus diesem Grund wurde beschlossen, die Produktion und Verwendung von FCKW einzuschränken, und unser Land stellte die FCKW-Produktion im Jahr 2002 ein. Derzeit sind alle auf dem chinesischen Markt verkauften Kühlschränke fluorfrei, und als Kühlmittel wird nicht mehr Freon, sondern Tetrafluorethan usw. verwendet.

Der Kühlprozess von Kühlschränken aus energetischer Sicht

Wenn wir den Kühlprozess des Kühlschranks aus energetischer Sicht analysieren, stellen wir fest, dass dem Kompressor elektrische Energie zugeführt wird, wodurch der Kompressor Arbeit W (normalerweise wird W zur Darstellung von Leistung verwendet) am Kühlmittel verrichtet. Dabei handelt es sich um die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. Anschließend gibt das Kältemittel die Wärme Q1 (Q steht hier für Wärme und ist als Q1 gekennzeichnet) über den Kondensator nach außen ab und nimmt über den Verdampfer die Wärme Q2 auf. Gemäß dem Energieerhaltungssatz bzw. dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gilt Q1=Q2+W.

Durch die nach außen abgegebene Wärme (Q1) erwärmen sich die Seitenwände des Kühlschranks. Kinder können dies herausfinden, indem sie ihren eigenen Kühlschrank berühren. Daher kann die Verwendung eines Kühlschranks dazu führen, dass die Temperatur in Ihrem Zuhause steigt. Wir brauchen diese Wärme nicht (Q1). Kinder können darüber nachdenken, wie sie diese Energie nutzen und verhindern können, dass sie in der Luft verpufft.

Was wir brauchen, ist die Wärme (Q2), die das Kältemittel über den Verdampfer aufnimmt. Es kann die Temperatur des Gefrierschranks senken, Eis am Stiel einfrieren und Lebensmittel lange haltbar machen. Wir möchten, dass es so groß wie möglich wird.

Die vom Kompressor geleistete Arbeit verbraucht elektrische Energie, und wir müssen für den Strom bezahlen. Natürlich gilt: Je kleiner die Arbeit, desto besser. Tatsächlich wird zur Angabe der Kühlleistung von Kühlschränken ein Kühlkoeffizient Q2/W definiert, der nahe an dem liegt, was wir oft als Kosteneffizienz bezeichnen.

Wir haben festgestellt, dass Q1 und Q2 Energie freisetzen und das andere Energie absorbieren. Wenn sie gleich sind, ist W nicht erforderlich, oder? Der Kühlschrank muss keinen Strom verbrauchen. Dies scheint weder gegen das Energieerhaltungsgesetz noch gegen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik zu verstoßen. Tatsächlich gibt es einen solchen Kühlschrank jedoch nicht. Warum ist das so? Denn neben dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik gibt es noch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme kann nur spontan von einem Objekt mit hoher Temperatur auf ein Objekt mit niedriger Temperatur übertragen werden, nicht jedoch spontan von einem Objekt mit niedriger Temperatur auf ein Objekt mit hoher Temperatur.

Im wirklichen Leben werden Sie also sehen, wie sich heißes und kaltes Wasser vermischen, das heiße Wasser abkühlt, das kalte Wasser erwärmt sich und schließlich beide die gleiche Temperatur erreichen. Sie werden nicht bemerken, dass die Warmwassertemperatur steigt und die Kaltwassertemperatur sinkt. Um Letzteres zu erreichen, muss an ihnen gearbeitet werden. Mit anderen Worten: Wenn der Kühlschrank keine Arbeit durch die Zufuhr elektrischer Energie verrichtet, ist es unmöglich, die Temperatur des Gefrierschranks zu senken und die Außentemperatur zu erhöhen.

Wenn Prinzessin Elsa Tetrafluorethan oder Trockeneis verschüttet, was gefriert schneller?

Kehren wir zur Magie von Prinzessin Elsa zurück. Wenn sie mit ihrer schlanken Hand wedelt und Tetrafluorethan verstreut, kann sie ihre innere Kraft nutzen, um das Tetrafluorethan zu komprimieren und Arbeit zu verrichten. Der Druck und die Temperatur des Tetrafluorethans stiegen und es gab Wärme nach außen ab. Dann zog Prinzessin Elsa ihre schlanken Hände zurück und nutzte ihre innere Kraft, um das Tetrafluorethan herauszusaugen. Dadurch verringerte sich der Druck und das Material verdampfte schnell, wobei es eine große Menge Wärme aufnahm und sich Eis darum bildete. Dies scheint es zu erklären. Allerdings erfordert diese Operation von Prinzessin Elsa die tiefe innere Stärke eines Kampfkunstmeisters.

Eine weitere Methode, die keine innere Kraft erfordert, ist die Verwendung von Trockeneis (festes Kohlendioxid). Da der Gefrierpunkt von Trockeneis sehr niedrig ist (minus 78,5 Grad Celsius), sublimiert es in der Luft bei Normaltemperatur schnell zu Gas. Bei diesem Vorgang wird eine große Menge Wärme absorbiert, wodurch die Umgebungstemperatur sinkt, möglicherweise sogar unter den Gefrierpunkt.

Prinzessin Elsa kann also einfach mit ihrer schlanken Hand winken und etwas Trockeneis verstreuen, um die Umgebung einzufrieren. Dieser Vorgang entspricht der Wärmeabgabe eines Objekts mit hoher Temperatur (Luft) an ein Objekt mit niedriger Temperatur (Trockeneis). Es kann spontan auftreten und erfordert von Prinzessin Elsa keine zusätzliche innere Kraft, um Arbeit zu verrichten. Man kann sagen, dass es sich hierbei um eine Gefriermagie mit einer sehr niedrigen Schwelle handelt.

Das Einzige, worauf Sie beim Transport von Trockeneis achten müssen, ist, Erfrierungen zu vermeiden.

Außerdem ist die magische Gefriergeschwindigkeit von Prinzessin Elsa extrem hoch, sie beträgt fast einen Wimpernschlag. Der Energietransfer bei diesem Vorgang ist sicher. Je kürzer die Zeit, desto höher ist die Energieübertragung pro Zeiteinheit, also desto höher die Leistung, denn Leistung = Arbeit ÷ Zeit.

Wir wissen, dass sich „eine drei Fuß dicke Eisschicht nicht über Nacht bildet“. Es scheint, dass Prinzessin Elsa, wenn sie die Welt vor sich im Handumdrehen einfrieren möchte, dafür zu viel Kraft aufwenden muss und dies möglicherweise unrealistisch ist.

Natürlich ist „Die Eiskönigin“ selbst ein surreales Märchen.

Wichtige Punkte

1. Das Prinzip des Kühlschranks. Ein Kühlschrank funktioniert, indem er am Kühlmittel Arbeit verrichtet und dadurch Wärme an die Außenwelt abgibt. Anschließend verdampft das Kältemittel unter vermindertem Druck, nimmt Wärme auf, senkt die Temperatur und erzielt einen Kühleffekt.

2. Der Energieerhaltungssatz, der erste Hauptsatz der Thermodynamik und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Der Energieerhaltungssatz und der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagen, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur übertragen werden kann. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energieübertragung gerichtet ist und nur spontan von einem Objekt mit hoher Temperatur auf ein Objekt mit niedriger Temperatur übertragen werden kann, nicht jedoch umgekehrt. Um den umgekehrten Fall zu erreichen, muss an dem Objekt mit niedriger Temperatur Arbeit verrichtet werden. Aus diesem Grund muss der Kühlschrank zunächst Arbeit verrichten.

3. Macht. Leistung ist die pro Zeiteinheit geleistete Arbeit. Es dauert eine gewisse Zeit, bis ein Kühlschrank abkühlt. Den eisigen Zauber, wie ihn Prinzessin Elsa ausübte, gibt es wohl nur im Märchen.

Dieser Artikel ist ein Auszug aus „Physik-Aufklärungsstunde für Kinder“ (verfasst von Zhu Lei, China Women's Publishing House, 2022).