Warum erzeugt ein Kühlschrank mehr Wärme als Kälte?
Ein Kühlschrank “erzeugt” Kälte, indem er Wärme entzieht. Kälte ist das Fehlen von Wärme. Insofern müsste die Frage lauten: Warum gibt ein Kühlschrank mehr Wärme ab als er entzieht?
Um einem System Energie in Form von Wärme zu entziehen, muss Arbeit verrichtet werden. Dies geschieht beim Kühlschrank mit Hilfe eines so genannten Arbeitsmittels, d. h. einem Gas mit relativ niedrigen Kondensationspunkt, das mechanisch (durch Druck = Kompression) verflüssigt und anschließend in die Kapillaren des Kühlraums (Verdampfer) gepumpt wird. Das Kühlgut heizt den Kühlraum auf und bringt das Arbeitsmittel damit zum Verdunsten. Da das Verdunsten ein Prozess ist, der Energie benötigt, wird dabei Energie in Form von Wärme aus dem Kühlraum abgezogen (Verdunstungsenthalpie). Gasförmig gelangt das Arbeitsmittel wieder in den Verflüssiger, der sich an der Rückwand des Kühlschranks befindet. Beim Verflüssigen wird Energie in Form von Wärme frei.
Für Kühlschränke kann (wie für alle Kältemaschinen und Wärmepumpen) der so genannte Carnot-Wirkungsgrad berechnet werden. Als Carnot-Wirkungsgrad wird das Verhältnis der Temperaturdifferenz und der Temperatur des warmen Reservoirs (beim Kühlschrank: Außentemperatur) bezeichnet. Der Carnot-Wirkungsgrad gibt für alle periodisch arbeitenden Maschinen und Kreisprozesse an, wie hoch der maximal mögliche theoretische Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bei einer gegebenen Temperaturdifferenz ist. D. h. der theoretische maximale Wirkungsgrad eines Kühlschranks ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Kühlraum- und Außentemperatur.
Beispiel: Die Temperatur im Kühlraum T1 beträgt 10 °C (283,15 K), die Außentemperatur T2 beträgt 25 °C (298,15 K). Demnach beträgt der maximale Wirkungsgrad (T2 - T1) / (T2) = 5,03 %.
Die nach außen abgegebene Wärme entspricht in diesem Fall also nur zu max. ca. 5 % der im Kühlraum aufgenommenen Wärme. Die restliche Wärme muss aus der zugeführten Arbeit stammen. Da es sich um einen Maximalwert handelt, wird der tatsächlich messbare Wirkungsgrad noch geringer ausfallen, da weitere Verluste durch Reibung und nicht perfekte Isolation zu erwarten sind.
D. h. ein Kühlschrank wandelt einen Großteil der zugeführten Arbeit in Wärme um, damit eine relativ kleine Temperaturdifferenz gehalten respektive vergrößert werden kann.