How does an air conditioner actually work? – Anna Rothschild

Dig into the science of how heat pumps both heat and cool a home, and find out the benefits and drawbacks of this technology.

—

Typically, with any piece of technology, you pump one unit of energy in and you get about one out. That’s just the first law of thermodynamics: energy has to be conserved. But there’s a piece of technology called a heat pump, where for every bit of energy you put in, you get three to five times as much heat out. What wizardry is this? Anna Rothschild investigates the science of heat pumps.

Lesson by Anna Rothschild, directed by Kevin Herrmann, AIM Creative Studios.

This video made possible in collaboration with Speed & Scale
Learn more about how TED-Ed partnerships work: https://bit.ly/TEDEdPartners

Support Our Non-Profit Mission
———————————————-
Support us on Patreon: http://bit.ly/TEDEdPatreon
Check out our merch: http://bit.ly/TEDEDShop
———————————————-

Connect With Us
———————————————-
Sign up for our newsletter: http://bit.ly/TEDEdNewsletter
Follow us on Facebook: http://bit.ly/TEDEdFacebook
Find us on Twitter: http://bit.ly/TEDEdTwitter
Peep us on Instagram: http://bit.ly/TEDEdInstagram
———————————————-

Keep Learning
———————————————-
View full lesson: https://ed.ted.com/lessons/the-tech-that-seems-to-break-the-laws-of-physics-anna-rothschild
Dig deeper with additional resources: https://ed.ted.com/lessons/the-tech-that-seems-to-break-the-laws-of-physics-anna-rothschild/digdeeper

Animator’s website: https://aimcreativestudios.com
Music: https://soundcloud.com/aim-music
———————————————-

Thank you so much to our patrons for your support! Without you this video would not be possible! Eric Braun, Sonja Worzewski, Michael Clement, Adam Berry, Ghaith Tarawneh, Nathan Milford, Tomas Beckett, Alice Ice, Eric Berman, Kurt Paolo Sevillano, Jennifer Heald, Megulo Abebe, isolwi, Kate Sem, Ujjwal Dasu, Angel Alberici, Minh Quan Dinh, Sylvain, Terran Gimpel, Talia Sari, Katie McDowell, Allen, Mahina Knuckles, Charmaine Hanson, Thawsitt, Jezabel, Abdullah Abdulaziz, Xiao Yu, Melissa Suarez, Brian A. Dunn, Francisco Amaya, Daisuke Goto, Matt Switzler, Peng, Tzu-Hsiang, Bethany Connor, Jeremy Shimanek, Mark Byers, Avinash Amarnath, Xuebicoco, Rayo, Po Foon Kwong, Boffin, Jesse Jurman, Scott Markley, Elija Peterson, Ovidiu Mrd, paul g mohney, Steven Razey, Nathan Giusti and Helen Lee.

المترجم: Hani Eldalees المدقّق: Shimaa Nabil عادةً، مع أي قطعة من التكنولوجيا، تحصل على ما تضعه. قم بضخ وحدة واحدة من الطاقة في محمصة كهربائية وستحصل على حوالي واحدة على شكل حرارة. هذا مجرد القانون الأول للديناميكا الحرارية: يجب الحفاظ على الطاقة. ولكن هناك تقنية تسمى المضخة الحرارية، حيث مقابل كل جزء من الطاقة التي تدخلها، تحصل على 3 إلى 5 كمية الحرارة المنبعثة. ما هي هذه السحر؟ تم الترحيب بالمضخات الحرارية كحل تدفئة صديق للمناخ للسخانات التقليدية، والتي يعمل معظمها عن طريق حرق الوقود الأحفوري. لدرجة أنه في عام 2021، كانت تدفئة المباني مسؤولة عن حوالي 10٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية المرتبطة بالطاقة. تقلل المضخات الحرارية الانبعاثات بطريقتين – أولاً، تعمل بالكهرباء، مما يعني تقليل استخدام الوقود الأحفوري حيث تتحول الشبكات إلى الطاقة المتجددة. وثانيًا، إنها أكثر كفاءة من نظيراتها، حيث تستخدم طاقة أقل لإنتاج نفس الكمية من الحرارة. فغلاية تقليدية تعمل بالزيت أو الغاز، في أحسن الأحوال، فعالة بنسبة 90٪ تقريبًا، يمكن لبعض المضخات الحرارية تحقيق كفاءة بنسبة 500٪. تعتمد المضخات الحرارية على نفس تقنية مكيفات الهواء. وفي الواقع، غالبًا ما تعمل كمكيفات هواء لتدفئة منزلك في الشتاء وتبريده في الصيف. كيف؟ تقوم مكيفات الهواء بسحب الحرارة من منزلك ونقلها إلى الخارج. للقيام بذلك، يستخدمون القانون الثاني للديناميكا الحرارية. هذا هو الذي يقول أن الحرارة ستنتقل دائمًا من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة. عند تشغيل مكيف الهواء، تقوم مروحة بنفخ الهواء الساخن من منزلك فوق لفائف تحتوي على مادة تسمى المبرد. تتحول جزيئات المبرد إلى غاز في درجات حرارة منخفضة نسبيًا، بحيث تجمع الطاقة الحرارية من الهواء الساخن في منزلك، وتغلي. ثم ينتقل إلى الضاغط، الذي يدفع جزيئات الغاز بالقرب من بعضها البعض، مما يؤدي إلى تسخينها بدرجة أكبر. الآن أصبح هذا الغاز ساخنًا أكثر سخونة من الهواء الخارجي. لذلك عندما تهب مروحة فوق المبرد، تنتقل الطاقة الحرارية إلى الهواء البارد نسبيًا بالخارج. عندما يطلق المبرد الحرارة، يبدأ في التسييل. يمر عبر صمام التمدد، مما يقلل الضغط، مما يجعله أكثر برودة. الآن، أصبح جاهزا لالتقاط المزيد من الحرارة من منزلك وبدء الدورة مرة أخرى. في فصل الشتاء، تعمل المضخات الحرارية بنفس الطريقة تمامًا. لكن هذه المرة يلتقطون الحرارة من الخارج وينقلونها إلى منزلك. بالطبع، يكون الجو باردًا في بعض الأحيان في الخارج عندما تريد استخدام السخان. لكن الهواء لا يحتاج ليكون دافئًا – بل يحتاج فقط إلى أن يكون أكثر دفئًا من المبرد لنقل حرارته. كل هذا يبدو رائعًا، ولكن في الوقت الحالي هناك بعض العيوب لهذه التكنولوجيا. أولاً، يمكن أن تكون المبردات غازات الاحتباس الحراري القوية. تعتبر مركبات الهيدروفلوروكربون من أكثر المبردات شيوعًا. لكن جزيء هيدروفلوروكربون واحد يمكن أن يؤثر على الاحتباس الحراري بمقدار 2000 ضعف تأثير ثاني أكسيد الكربون على الاحتباس الحراري. أثناء الاستخدام، يظل المبرد موجودًا في حلقة مغلقة. ولكن عندما يتم تركيب المضخات الحرارية وأجهزة التكييف والثلاجات بشكل غير صحيح أو رميها في مدافن النفايات، يمكن أن يتسرب المبرد. لذلك يحاول العلماء إنشاء مبردات جديدة أفضل للبيئة. أيضًا، كلما كان الجو أكثر برودة في الخارج، كلما كانت المضخة الحرارية من الهواء إلى الهواء أقل كفاءة. ومع ذلك، فإن أكثر من نصف المباني في النرويج الجليدية تستخدم مضخات حرارية. اختار بعض الأشخاص هناك المضخات التي تسحب الحرارة من تحت الأرض، والتي تظل دافئة باستمرار، بدلاً من الحرارة من الهواء. أخيرًا، هناك التكلفة. في الولايات المتحدة، عادةً ما يكلف تركيب مضخة حرارية صغيرة عدة آلاف من الدولارات، بالرغم من أن بعض الأشخاص يحتاجون لأنظمة أقوى، اعتمادًا على حجم منزلهم أو درجة الحرارة في الشتاء. غالبًا ما تكون أغلى قليلاً من تركيب نظام تكييف جديد، ويمكن للمضخة الحرارية توفير المال على المدى الطويل. لكن استبدال نظام العمل يتطلب استثمارًا مقدمًا لا يمتلكه الكثير من الناس. ومع ذلك، ومع اقتراب مخاطر تغير المناخ، تقدم العديد من البلدان إعانات للمساعدة في تحمل التكاليف. وتقوم بعض المدن بتسخير البحار والصرف الصحي ومراكز البيانات بشكل إبداعي كمصادر للحرارة، باستخدام المضخات الحرارية في التصنيع، وحتى إنشاء مضخات حرارية عملاقة لمناطق بأكملها. إذن، هل المضخات الحرارية تنتهك بالفعل القانون الأول للديناميكا الحرارية؟ بالطبع لا. إنهم فقط لا يستخدمون الكهرباء لتوليد الحرارة. إنهم يستخدمونه لتشغيل الضاغط وتدوير المراوح. يحصلون على الطاقة الإضافية مجانًا – من الحرارة في الهواء أو تحت الأرض. وهذه هي الطريقة، من خلال وضع وحدة واحدة من الطاقة، تحصل على 3 إلى 5 وحدات من الحرارة. يبدو وكأنه سحر، لكنه مجرد فيزياء.