Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στην Τεχνολογία της Ψύξης (σελ. 35-36) – ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΨΥΞΗΣ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις — Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή στην Τεχνολογία της Ψύξης
Λύσεις στις 16 Επαναληπτικές Ερωτήσεις του κεφαλαίου 1, που καλύπτουν την έννοια της ψύξης και τη λανθάνουσα θερμότητα, τα ιστορικά στοιχεία της τεχνολογίας ψύξης, τις σύγχρονες εφαρμογές της (κλιματισμός άνεσης, βιομηχανικός κλιματισμός, βιομηχανική ψύξη) και τα είδη ψυγείων και καταψυκτών.
Ορισμός της ψύξης
Ερώτηση: Τι ορίζεται ως ψύξη;
Απάντηση:
- §1.1. «Με τον όρο ψύξη ή ψύχος γενικά χαρακτηρίζεται η δημιουργία χαμηλών θερμοκρασιών... Το ψύχος δεν είναι μορφή ενέργειας αλλά η αίσθηση που δημιουργείται με την απορρόφηση θερμότητας.»
Σύνοψη: Με τον όρο ψύξη ή ψύχος χαρακτηρίζεται γενικά η δημιουργία χαμηλών θερμοκρασιών. Για να δημιουργηθούν αυτές οι χαμηλές θερμοκρασίες είναι απαραίτητη η αφαίρεση θερμότητας — μια διαδικασία που απαιτεί ένα σύνολο μηχανισμών και συσκευών, που σήμερα αποτελούν την τεχνολογία ψύξης. Σημειώνεται ότι το ψύχος δεν είναι μορφή ενέργειας, αλλά η αίσθηση που δημιουργείται με την απορρόφηση θερμότητας.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ψύξη = δημιουργία χαμηλών θερμοκρασιών με αφαίρεση θερμότητας· το ψύχος δεν είναι ενέργεια αλλά αίσθηση
Εξάτμιση οινοπνεύματος έναντι νερού
Ερώτηση: Γιατί το οινόπνευμα εξατμίζεται ακόμη και στους 20°C, ενώ το νερό πρέπει να ζεσταθεί στους 100°C, όταν και στις δύο περιπτώσεις η πίεση είναι ίση με την ατμοσφαιρική (1 atm);
Απάντηση:
- §1.1. «Το φαινόμενο της εξάτμισης σε θερμοκρασία 20°C είναι χαρακτηριστικό των διαφόρων πτητικών υγρών, συνδυασμένο άμεσα με την πίεση που επικρατεί στην ελεύθερη επιφάνεια του υγρού. Το νερό δεν εξατμίζεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (δεν είναι πτητικό)... Γνωρίζουμε ότι το νερό, όπως και κάθε υγρό, έχει μια χαρακτηριστική καμπύλη κεκορεσμένων ατμών... Παρατηρείται από την καμπύλη ότι για να εξατμιστεί το νερό στους 20°C χρειάζεται να εφαρμοστεί πίεση 13,6 mbar στην ελεύθερη επιφάνειά του... το νερό στα 1013 mbar (ατμοσφαιρική πίεση) χρειάζεται να θερμανθεί στους 100°C.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το οινόπνευμα είναι πτητικό υγρό: στη θερμοκρασία 20°C, η πίεση των κεκορεσμένων ατμών του είναι ήδη ίση με την ατμοσφαιρική πίεση (1 atm), οπότε αρκεί αυτή η θερμοκρασία για να ικανοποιηθεί η συνθήκη εξάτμισης (σημείο πάνω στην καμπύλη Ps-T του). Το νερό αντίθετα δεν είναι πτητικό στη θερμοκρασία περιβάλλοντος: η καμπύλη κεκορεσμένων ατμών του δείχνει ότι στους 20°C αναπτύσσεται πίεση ατμών μόλις 13,6 mbar, πολύ μικρότερη από την ατμοσφαιρική (1013 mbar). Επομένως, για να φτάσει η πίεση των ατμών του νερού την ατμοσφαιρική πίεση (και να αρχίσει η εξάτμιση/βρασμός στο 1 atm), το νερό πρέπει να θερμανθεί μέχρι τους 100°C, όπου βρίσκεται το αντίστοιχο σημείο της καμπύλης του.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Οινόπνευμα: πτητικό, φτάνει 1atm ατμών ήδη στους 20°C· νερό: μη πτητικό, χρειάζεται 100°C για ίδια πίεση (καμπύλη Ps-T)
Τρία παραδείγματα παραγωγής ψύξης
Ερώτηση: Να δώσετε τρία παραδείγματα παραγωγής ψύξης.
Απάντηση:
- §1.1, παραδείγματα 1-5: εξάτμιση οινοπνεύματος στην παλάμη, φύσημα του καφέ, ανεμιστήρας πάνω από δοχείο νερού, αντλία κενού για παραγωγή πάγου, φρούτα/λαχανικά στο ψυγείο.
Σύνοψη: Ενδεικτικά τρία παραδείγματα παραγωγής ψύξης: (1) η εξάτμιση οινοπνεύματος στην παλάμη του χεριού, που ψύχει το χέρι απορροφώντας από αυτό θερμότητα· (2) το φύσημα ζεστού καφέ, που απομακρύνει το στρώμα κορεσμένων υδρατμών πάνω από την επιφάνειά του και επιτρέπει περαιτέρω εξάτμιση/ψύξη· (3) η χρήση αντλίας κενού πάνω από νερό μέσα σε μονωμένη φιάλη, που προκαλεί συνεχή εξάτμιση του νερού και τελικά τη δημιουργία πάγου (θερμική ασφυξία). Δεκτό επίσης το παράδειγμα του ανεμιστήρα πάνω από δοχείο νερού (φυσικός κλιματισμός) ή η ψύξη φρούτων/λαχανικών μέσα στο ψυγείο.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 3 από: οινόπνευμα στην παλάμη, φύσημα καφέ, ανεμιστήρας+νερό, αντλία κενού→πάγος, φρούτα στο ψυγείο
Το φαινόμενο εκμετάλλευσης για ψύξη με ψυκτικά ρευστά
Ερώτηση: Ποιο φαινόμενο εκμεταλλευόμαστε για τη δημιουργία ψύξης με χρήση κατάλληλων ψυκτικών ρευστών;
Απάντηση:
- §1.1. «Στην τεχνολογία ψύξης γίνεται εκμετάλλευση αυτού του φαινομένου [της λανθάνουσας θερμότητας] για την επίτευξη χαμηλών θερμοκρασιών... όταν ένα υγρό ατμοποιείται, τότε η θερμότητα που χρειάζεται είναι αρκετά υψηλή και την παίρνει από το γύρω χώρο. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται στα ψυγεία.»
Σύνοψη: Εκμεταλλευόμαστε το φαινόμενο της λανθάνουσας θερμότητας κατά τη μεταβολή φάσης του ψυκτικού ρευστού: όταν το ρευστό ατμοποιείται (εξατμίζεται) στον ατμοποιητή, απαιτεί σχετικά υψηλό ποσό θερμότητας για να αλλάξει κατάσταση, χωρίς η θερμοκρασία του να μεταβάλλεται, και αυτή τη θερμότητα την παίρνει από τον γύρω χώρο — έτσι δημιουργείται ψύχος στο χώρο αυτό.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Φαινόμενο: λανθάνουσα θερμότητα ατμοποίησης — το υγρό ψυκτικό απορροφά θερμότητα από το χώρο όταν εξατμίζεται
Αναγκαιότητα ψυκτικής μηχανής
Ερώτηση: Γιατί είναι απαραίτητο να υπάρχει ψυκτική μηχανή, όταν πρέπει να ψύχεται ο αέρας ενός χώρου;
Απάντηση:
- §1.1. «Η μεταφορά αυτή της θερμότητας είναι αδύνατον να γίνει μόνη της, σύμφωνα με το 2ο Θερμοδυναμικό αξίωμα και για την επίτευξή της πρέπει να δοθεί έργο... Αν η όλη αυτή διαδικασία γίνει με χρήση μηχανικού έργου, τότε πρόκειται για ψυκτική μηχανή στην οποία προσφέρεται μηχανικό έργο W για την άντληση θερμότητας από το ψυχρότερο θερμοδοχείο προς το θερμότερο.»
Σύνοψη: Επειδή η ψύξη ενός χώρου σημαίνει μεταφορά («άντληση») θερμότητας από το χώρο, που έχει χαμηλή θερμοκρασία, προς το εξωτερικό περιβάλλον, που έχει υψηλότερη θερμοκρασία. Σύμφωνα με το 2ο Θερμοδυναμικό αξίωμα, η θερμότητα δεν μπορεί να ρέει μόνη της από ψυχρότερο προς θερμότερο σώμα — για να επιτευχθεί αυτή η μεταφορά πρέπει να προσφερθεί έργο. Η συσκευή στην οποία προσφέρεται το απαραίτητο μηχανικό έργο W για την άντληση της θερμότητας είναι η ψυκτική μηχανή.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η θερμότητα δεν ρέει μόνη της από ψυχρό σε θερμό (2ο Θερμοδυναμικό αξίωμα) — χρειάζεται προσφορά έργου W μέσω ψυκτικής μηχανής
Δυσμενή αποτελέσματα εξάπλωσης συστημάτων ψύξης
Ερώτηση: Ποια δυσμενή αποτελέσματα έχει προκαλέσει η μεγάλη εξάπλωση των συστημάτων ψύξης τις τελευταίες δεκαετίες;
Απάντηση:
- §1.2. «Δύο είναι οι συνιστώσες που επηρεάζουν άμεσα το περιβάλλον από τη συνεχή εξάπλωση των συστημάτων ψύξης. Η πρώτη αφορά την καταστροφή της στιβάδας του όζοντος και η δεύτερη το φαινόμενο του θερμοκηπίου.»
Σύνοψη: Η μεγάλη εξάπλωση των συστημάτων ψύξης έχει προκαλέσει κυρίως δύο δυσμενή αποτελέσματα στο περιβάλλον: την καταστροφή της προστατευτικής στιβάδας του όζοντος της ατμόσφαιρας (λόγω των ψυκτικών ρευστών, όπως οι χλωροφθοράνθρακες) και την ενίσχυση του φαινομένου του θερμοκηπίου, που συνδέεται με την αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 2 συνιστώσες: καταστροφή στιβάδας όζοντος + φαινόμενο θερμοκηπίου
Δύο μεγάλοι σταθμοί στην τεχνολογία ψύξης
Ερώτηση: Να αναφέρετε δύο μεγάλους σταθμούς στην εξέλιξη της τεχνολογίας της ψύξης.
Απάντηση:
- §1.2. «Το πρώτο μεγάλο βήμα προόδου έγινε όταν οι μηχανικοί κατόρθωσαν να παραγάγουν πάγο με τεχνητό τρόπο... το 1858... Carr... Ένα δεύτερο μεγάλο βήμα έγινε με την κατασκευή του οικιακού ψυγείου (1918).»
Σύνοψη: Ενδεικτικά δύο μεγάλοι σταθμοί: (1) το 1858, όταν ο Γάλλος μηχανικός Carr κατασκεύασε το πρώτο ψυγείο παγακιών με τεχνητή παραγωγή πάγου, βασισμένο στη συμπίεση ατμών αμμωνίας· (2) το 1918, με την κατασκευή του πρώτου οικιακού ψυγείου από την αμερικανική εταιρεία Kelvinator, με συμπιεστή κινούμενο από ηλεκτροκινητήρα μικρής ισχύος. Δεκτοί επίσης ως σταθμοί: η κατασκευή των πρώτων ψυκτικών θαλάμων για παγωτά (δεκ. 1920-30) ή η ανακάλυψη των χλωροφθορανθράκων (1931) και το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ (1987).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 2 από: Carr/1858 (τεχνητός πάγος), Kelvinator/1918 (οικιακό ψυγείο), καταψύκτες 1920-30, CFC 1931, Μόντρεαλ 1987
Χλωροφθοράνθρακες: στοιχεία και αντικατάσταση
Ερώτηση: Ποια χημικά στοιχεία περιέχουν στα μόριά τους οι χλωροφθοράνθρακες και γιατί έχει αποφασισθεί η άμεση αντικατάστασή τους;
Απάντηση:
- §1.2. «Τα ψυκτικά αυτά μέσα ονομάζονται χλωροφθοράνθρακες, επειδή στο μόριό τους έχουν άνθρακα C, φθόριο F και χλώριο CI... οι επιστήμονες Rowland και Molina ανακάλυψαν ότι τα ψυκτικά αυτά μέσα καταστρέφουν το προστατευτικό στρώμα του όζοντος της ατμόσφαιρας.»
Σύνοψη: Οι χλωροφθοράνθρακες περιέχουν στο μόριό τους άνθρακα (C), φθόριο (F) και χλώριο (Cl). Η άμεση αντικατάστασή τους αποφασίστηκε επειδή διαπιστώθηκε (Rowland και Molina, δεκαετία του '70) ότι καταστρέφουν το προστατευτικό στρώμα του όζοντος της ατμόσφαιρας, το οποίο μας προστατεύει από τις επικίνδυνες υπεριώδεις ακτίνες του ήλιου — γι' αυτό υπογράφηκε και το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ (1987) που προβλέπει τη σταδιακή αντικατάστασή τους.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- C, F, Cl· αντικατάσταση λόγω καταστροφής στιβάδας όζοντος
Λόγοι γιγάντωσης της βιομηχανίας ψύξης
Ερώτηση: Να αναφέρετε δύο λόγους στους οποίους οφείλεται η γιγάντωση της βιομηχανίας της ψύξης σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα.
Απάντηση:
- §1.2. «Α) Επειδή εξελίχθηκαν οι μέθοδοι των μηχανουργικών κατεργασιών... Β) Η ανακάλυψη των «ασφαλών» ψυκτικών μέσων και Γ) Η ανακάλυψη του ηλεκτροκινητήρα με ισχύ μικρότερη από έναν ίππο (1 HP).»
Σύνοψη: Δύο (από τους τρεις) λόγους στους οποίους οφείλεται η γιγάντωση της βιομηχανίας ψύξης: (1) η εξέλιξη των μεθόδων μηχανουργικών κατεργασιών, που επέτρεψε την παραγωγή μικρότερων και πιο αποτελεσματικών εξαρτημάτων (π.χ. βαλβίδες, εξατμιστές)· (2) η ανακάλυψη των «ασφαλών» ψυκτικών μέσων (χλωροφθορανθράκων). Δεκτός επίσης ως τρίτος λόγος η ανακάλυψη του ηλεκτροκινητήρα ισχύος μικρότερης από 1 HP.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 2 από 3: εξέλιξη μηχανουργικών κατεργασιών, ασφαλή ψυκτικά μέσα, ηλεκτροκινητήρας <1HP
Εξάρτηση της κοινωνίας από την ψύξη με μηχανική συμπίεση
Ερώτηση: Να αναφέρετε δύο παραδείγματα τα οποία να αποδεικνύουν τη μεγάλη εξάρτηση της σημερινής κοινωνίας από την ψύξη που παράγεται με μηχανική συμπίεση ατμών.
Απάντηση:
- §1.2. «Πώς θα μπορούσε να τρέφεται ο πληθυσμός των πόλεων, αν δεν υπήρχαν τα μεγάλα ψυγεία για τη συντήρηση ή κατάψυξη των τροφίμων; Πώς θα μπορούσαμε να ζούμε και να εργαζόμαστε τους καλοκαιρινούς μήνες, αν δεν υπήρχαν οι κλιματιστικές συσκευές...»
Σύνοψη: Δύο χαρακτηριστικά παραδείγματα: (1) χωρίς τα μεγάλα ψυγεία και τις εγκαταστάσεις συντήρησης/κατάψυξης τροφίμων, δεν θα μπορούσε να τραφεί ο πληθυσμός των μεγάλων αστικών κέντρων, αφού τα τρόφιμα παράγονται συχνά μακριά από τα σημεία κατανάλωσης· (2) χωρίς τις κλιματιστικές συσκευές, δεν θα ήταν δυνατό να ζούμε και να εργαζόμαστε άνετα τους καλοκαιρινούς μήνες σε πολλές περιοχές.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 2: διατροφή πληθυσμού πόλεων μέσω ψυγείων/κατάψυξης· εργασία/διαβίωση το καλοκαίρι μέσω κλιματισμού
Περιπτώσεις ψύξης για ανθρώπινη άνεση
Ερώτηση: Να αναφέρετε τέσσερις περιπτώσεις, που η ψύξη χρησιμοποιείται για τη δημιουργία συνθηκών ανθρώπινης άνεσης.
Απάντηση:
- §1.3, Ψύξη για κλιματισμό άνεσης. «1. Νοσοκομείων... 2. Κατοικιών... 3. Καταστημάτων... 4. Γραφείων... 5. Σχολείων... 6. Οχημάτων... 7. Αεροσκαφών... 8. Πλοίων.»
Σύνοψη: Ενδεικτικά τέσσερις περιπτώσεις (από τις οκτώ που αναφέρει το βιβλίο): νοσοκομεία, κατοικίες, καταστήματα, γραφεία. Δεκτή οποιαδήποτε τετράδα από: νοσοκομεία, κατοικίες, καταστήματα, γραφεία, σχολεία, οχήματα, αεροσκάφη, πλοία.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 4 από: νοσοκομεία, κατοικίες, καταστήματα, γραφεία, σχολεία, οχήματα, αεροσκάφη, πλοία
Παραδείγματα βιομηχανικής ψύξης
Ερώτηση: Πώς χρησιμοποιείται η βιομηχανική ψύξη (δώστε τρία παραδείγματα);
Απάντηση:
- §1.3, Βιομηχανική ψύξη. «1. Παραγωγή πάγου... 2. Παγοδρόμια... 3. Οπλισμένο σκυρόδεμα ή χωματουργικά έργα... 4. Χημικές βιομηχανίες...»
Σύνοψη: Ενδεικτικά τρία παραδείγματα βιομηχανικής ψύξης: (1) η παραγωγή πάγου σε αυτόνομες εγκαταστάσεις διαφόρων μεγεθών· (2) η ψύξη των παγοδρομίων, με χρήση κρύας άρμης που κυκλοφορεί σε σωλήνες κάτω από την επιφάνεια του πάγου· (3) η ψύξη του οπλισμένου σκυροδέματος κατά τη διάστρωσή του, ώστε να αποφευχθεί η ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών από τη χημική αντίδραση ανάμιξης. Δεκτό επίσης το παράδειγμα της χρήσης ψύξης σε χημικές βιομηχανίες.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 3 από: παραγωγή πάγου, παγοδρόμια, ψύξη σκυροδέματος, χημικές βιομηχανίες
Τρόφιμα που χρειάζονται οπωσδήποτε ψύξη
Ερώτηση: Να αναφέρετε μερικά τρόφιμα που χρειάζονται οπωσδήποτε ψύξη για να διατηρούνται στην αρχική τους κατάσταση.
Απάντηση:
- §1.3. «Ως προς τα προϊόντα, σημαντικές απαιτήσεις για ψυκτική ισχύ έχουν οι χώροι αποθήκευσης φρούτων, γεωμήλων, γλυκισμάτων, αρτοσκευασμάτων και τα ψυγεία συντήρησης κρεάτων, ψαριών, πουλερικών.»
Σύνοψη: Ενδεικτικά τρόφιμα που απαιτούν οπωσδήποτε ψύξη για να διατηρηθούν κοντά στην αρχική τους κατάσταση: κρέατα, ψάρια, πουλερικά, καθώς και φρούτα, γεώμηλα (πατάτες), γλυκίσματα και αρτοσκευάσματα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Κρέατα, ψάρια, πουλερικά, φρούτα, γεώμηλα, γλυκίσματα, αρτοσκευάσματα
Χαρακτηριστικά γνωρίσματα οικιακών ψυγείων
Ερώτηση: Να αναφέρετε τρία χαρακτηριστικά γνωρίσματα των οικιακών ψυγείων.
Απάντηση:
- §1.4, Α.1. «Έχουν μικρό μέγεθος και λειτουργούν με ηλεκτροκινητήρες μικρής ισχύος (35 έως 375 W). Τα ψυγεία αυτά είναι ερμητικά στεγανοποιημένα...»
Σύνοψη: Τρία χαρακτηριστικά γνωρίσματα των οικιακών ψυγείων: έχουν μικρό μέγεθος, λειτουργούν με ηλεκτροκινητήρες μικρής ισχύος (35 έως 375 W), και είναι ερμητικά στεγανοποιημένα.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Μικρό μέγεθος· ηλεκτροκινητήρας 35-375W· ερμητικά στεγανοποιημένα
Είδη εμπορικών ψυγείων
Ερώτηση: Να αναφέρετε τέσσερα είδη εμπορικών ψυγείων.
Απάντηση:
- §1.4, Α.2. «α) Ψυγεία με ράφια και άμεση πρόσβαση... β) Ψυγεία στα οποία μπαίνει ο χρήστης... γ) Ψυγεία – βιτρίνες... δ) Ψυγεία (ψυκτικοί θάλαμοι) μεταφοράς προϊόντων.»
Σύνοψη: Τα τέσσερα είδη (υποκατηγορίες) εμπορικών ψυγείων είναι: (α) τα ψυγεία με ράφια και άμεση πρόσβαση, (β) τα ψυγεία στα οποία μπαίνει ο χρήστης, (γ) τα ψυγεία-βιτρίνες και (δ) τα ψυγεία (ψυκτικοί θάλαμοι) μεταφοράς προϊόντων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- 4 είδη: με ράφια/άμεση πρόσβαση, στα οποία μπαίνει ο χρήστης, βιτρίνες, μεταφοράς προϊόντων
Περιορισμένος χρόνος αποθήκευσης στα ψυγεία-βιτρίνες
Ερώτηση: Γιατί στα ψυγεία-βιτρίνες ο χρόνος αποθήκευσης είναι συχνά πολύ περιορισμένος;
Απάντηση:
- §1.4, Α.2(γ). «Πολλές φορές η καλή επίδειξη ενός προϊόντος δε συμβαδίζει με τις καλύτερες δυνατές συνθήκες για τη συντήρησή του. Αυτό σημαίνει ότι ο χρόνος αποθήκευσης του προϊόντος σε ένα ψυγείο-βιτρίνα είναι συχνά πολύ περιορισμένος και κυμαίνεται από μερικές ώρες μέχρι το πολύ μία έως δύο εβδομάδες.»
Σύνοψη: (ενδεικτική) Επειδή στα ψυγεία-βιτρίνες δίνεται προτεραιότητα στην όσο το δυνατόν πιο ελκυστική παρουσίαση/επίδειξη του προϊόντος, ώστε να αυξάνονται οι πωλήσεις — και αυτή η απαίτηση συχνά δε συμβαδίζει με τις καλύτερες δυνατές συνθήκες συντήρησής του (π.χ. θερμοκρασία, φωτισμό, έκθεση στον αέρα του χώρου). Το αποτέλεσμα είναι ότι ο χρόνος αποθήκευσης του προϊόντος σε ψυγείο-βιτρίνα περιορίζεται συνήθως από λίγες ώρες έως το πολύ μία-δύο εβδομάδες.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Αιτία: η καλή επίδειξη προϊόντος δεν συμβαδίζει πάντα με τις καλύτερες συνθήκες συντήρησης
