Kesähelteet iski, eikä tuuletin auta. Voisinko avata jääkaapin oven ja viilentää huoneilmaa sen avulla?

Kieltämättä houkutteleva ajatus, joten pohditaanpa asiaa. Miten jääkaappi siis toimikaan?

Kylmäaine siellä kiertää ja siirtää lämpöä pois jääkaapin sisältä. Tarkemmin en kyllä osaa kuvata.

Jääkaapin toimintaperiaate on hyvin samanlainen kuin monissa ilmastointilaitteissa. Molemmat ovat niin kutsuttuja lämpöpumppuja.

Kuten ilmalämpöpumput?

Kyllä, ne toimivat samalla periaatteella. Ilmalämpöpumppua voi ajatella laitteena, joka pystyy pumppaamaan eli siirtämään lämpöä sekä ulkoa sisään (lämmittäminen) että sisältä ulos (viilentäminen).

Mainitsit lämmön. Voitaisiinko hetken jutella lämmön, lämpöenergian ja lämpötilan eroista? Nämä käsitteet menevät usein hieman sekaisin.

Lämpöoppiin liittyy haastavaa sanastoa ja käsitteiden erottelu toisistaan on monelle fysiikkaa opiskelevallekin haastavaa. Termit menevät puhekielessä sekaisin helposti.

Aloitetaan ensin kaikista arkisimmasta käsitteestä eli lämpötilasta. Arjessa käytämme lämpötilan käsitettä kuvaamaan tunnettamme esineiden ja ilman kuumuudesta ja kylmyydestä. Toisaalta voimme mitata kappaleiden tai vaikka ilman lämpötilaa erilaisilla lämpömittareilla. Yleisimmin lämpömittarit toimivat siten, että ne itse asettuvat samaan lämpötilaan mitattavan kappaleen kanssa. Tähän liittyen voisikin huomauttaa, että lämpömittari mittaa aina omaa lämpötilaansa, ei mitattavan kappaleen lämpötilaa. Kappaleen lämpötilan mittaaminen perustuukin vain siihen oletukseen että lämpömittarit ja mitattava kappale ovat keskenään termodynaamisessa tasapainossa. Oma ihomme toimii toisin: esine tai ulkoilma tuntuu meistä kylmältä, jos sen lämpötila on ihomme lämpötilaa alhaisempi. Vastaavasti kuumalta tuntuvat asiat, joiden lämpötila on ihomme pinnan lämpötilaa suurempi. Lämpötilan aistimuksesta keskustelemme enemmän osiossa Miten tuulen hyytävyys määräytyy?

Itse lämpötilan määritelmää varten meidän täytyy siirtyä mikroskooppiselle tasolle. Lämpötila kuvaa aineen rakenneosasten (kuten molekyylien) keskimääräistä liike- ja värähtelyenergiaa (jota kutsutaan myös lämpöliikkeeksi). Mitä korkeampi aineen lämpötila on, sitä suurempi aineen rakenneosasten lämpöliike on. Sitä energiaa, joka on varastoitunut rakenneosasten mikroskooppiseen lämpöliikkeeseen kutsutaan lämpöenergiaksi. Kun kaksi ainetta asetetaan kosketuksiin toistensa kanssa, niiden rakenneosaset tulevat myös kosketuksiin toistensa kanssa. Tällöin kuumemman aineen rakenneosasilla on keskimääräisesti suurempi lämpöliike kuin kylmemmän aineen rakenneosasilla. Eri aineiden rakenneosasten törmäysten kautta energiaa siirtyy kuumemmasta aineesta kylmempään. Tätä kahden systeemin välillä siirtyvää energiaa kutsutaan lämmöksi. Sen tunnus on $Q$ ja yksikkö on Joule ($J$).

Eli kun eri lämpöiset asiat kohtaavat, lämpöä siirtyy erilämpöisten asioiden välillä ihan törmäysten kautta. Ja tämän lämmön siirtymisen suunnan määrää kappaleiden lämpötilat.

Kyllä, juuri näin. Tarkastellaan kaaviota jääkaapin lämpöpumpusta (Kuva 1). Jääkaapin lämpöpumpussa kiertää kylmäaine kuten tetrafluorietaani (TFE). Aiemmin jääkaapeissa käytettiin CFC-yhdisteitä eli freoneita, jotka kuitenkin osoittautuivat ympäristölle vaarallisiksi yhdisteiksi.  Käydään läpi lämpöpumpun toimintaperiaate, se käy luontevimmin tarkastelemalla kylmäaineen kiertoa systeemissä.

Kuva 1: Jääkaapin lämpöpumpun kaaviokuva. Mukailtu lähteestä.

1. Aloitetaan kylmäaineen kierroksen läpikäyminen höyrystimestä (3). Höyrystimelle saapuessaan kylmäaine on nesteenä. Höyrystimessä kylmäaine höyrystyy eli muuttaa olomuotonsa nesteestä kaasuksi. Kuten hien höyrystyminen poistaa lämpöä ihon pinnalta tehokkaasti, samoin kylmäaineen höyrystyminen siirtää lämpöä tehokkaasti jääkaapista kylmäaineeseen, mikä laskee jääkaapin lämpötilaa.
2. Höyrystynyt kylmäaine saapuu kompressorille (4), joka puristaa höyrystyneen kylmäaineen kokoon.  Jääkaapista kuuluva hurina tulee juuri tästä kompressorista. Puristaminen nostaa kaasun painetta ja lämpötilaa huomattavasti huoneenlämpötilan yläpuolelle. 
3. Tämä korkeapaineinen ja kuuma kylmäainekaasu siirretään seuraavaksi jääkaapin ulkopuolella olevaan lauhduttimeen (1), jossa kuuma kylmäaine luovuttaa lämpöä spontaanisti huoneilmaan ja jäähtyy. Jäähtyessään kylmäaine myös tiivistyy takaisin nesteeksi. 
4. Lauhduttimesta kylmäaine virtaa edelleen paisuntaventtiiliin (2), joka aiheuttaa sen paineen ja lämpötilan laskun. Paisuntaventtiilistä kylmäaine virtaa edelleen höyrystimeen ja prosessi alkaa alusta.

Kuva 2: Jääkaapin takaosa.

Jääkaapin takaosassa kiertävä putki on jääkaapin lauhdutin (Kuva 2). Kompressori puolestaan on jääkaapin alaosassa oleva musta mötikkä.

Okei… Eli yksinkertaistettuna kylmäaineen avulla siirretään lämpöä jääkaapin sisältä huoneilmaan.

Karkeasti sanottuna noin. Kylmäaine on valittu siten, että painetta kompressorilla ja paisuntaventtiilillä sopivasti muuttamalla kylmäaine saadaan muuttamaan olomuotaan eli höyrystymään ja tiivistymään jääkaapin lämpötilan ($\sim 4^\circ C$) ja huoneenlämpötilan välillä. Höyrystymisesssä ja tiivistymisessä lämmönsiirto on erittäin tehokasta, minkä tiedämme kokemuksesta löylynheitosta (vesihöyryn tiivistyminen iholle) ja hikisenä tuulessa seisomisesta (tuuli höyrystää hikeä tehokkaasti).

Entä se alkuperäinen kysymys eli voidaanko jääkaapilla viilentää huonetta? Ilmalämpöpumpulla se ainakin onnistuu, joten miksikäs ei jääkaappi-lämpöpumpulla myös.

Tämän pohtiminen edellyttää entropian käsitteen käyttämistä, onko se ennestään tuttu?

Entropialla todellakin tarkoitetaan järjestelmän tietyn tyyppistä epäjärjestystä. Tarkemmin entropian käsitettä käsitellään osiossa Miksi johdot ovat aina sekaisin?  Tässä  tapauksessamme tarkasteltava järjestelmä voisi olla se huone jossa jääkaappi on. Eräs lämpöopin pääsäännöistä sanoo, että suljetussa järjestelmässä entropia pyrkii aina kasvamaan tai pysymään samana. Tämä tarkoittaa, että järjestelmä luonnostaan pyrkii kohti suurempaa epäjärjestystä. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että järjestelmän lämpötilaerot pyrkivät tasaantumaan. Näin ollen järjestelmään on tehtävä työtä, jotta tämä “järjestys” saadaan ylläpidettyä ja kuuma saadaan pidettyä kuumana ja kylmä kylmänä. Jääkaapin tapauksessa tätä työtä tekee kompressori.

Jos $Q_1$ on jääkaapista kylmäaineeseen siirtyvä lämpö, $Q_2$ on kylmäaineesta ulos huoneilmaan siirtyvän lämpö ja $W$ on kompressorin tekemä työ (jossakin aikayksikössä), niin energian säilymislaista eli termodynamiikan 1. pääsäännöstä seuraa yhtälö $Q_1+W=Q_2$, eli $Q_2>Q_1$ koska tehty työ $W>0$.

Eli huoneilmaan siirtyvä lämpö on aina suurempi kuin jääkaapista poistunut lämpö. 

Juuri näin! Jääkaapin auki jättäminen itse asiassa viilentämisen sijaan nostaisi huonelämpötilaa kompressorin tekemän työn $W$ vuoksi.

Ilmalämpöpumpulla jäähdyttäminen onnistuu, koska energiaa siirretään ulkoilmaan. Sen vuoksi sen ulkoyksikkö onkin — no, ulkona. Toisin sanoen, jäähdytyksen aikana koko huusholli itsessään on ilmalämpöpumpulle ikään kuin valtava jääkaappi.