How does an air conditioner actually work? - Anna Rothschild

Translator: Mohammad Badsar Reviewer: Masoud Motamedifar

Typically, with any piece of technology, you get out what you put in.

معمولاً در مورد هر فناوری، آنچه دریافت می‌کنید به میزان ورودی شما ربط دارد.

Pump one unit of energy into an electric toaster

یک واحد انرژی را به یک سرخ‌کن برقی وارد کنید

and you get about one out in the form of heat.

و شما یک واحد را به شکل گرما دریافت می‌کنید.

That’s just the first law of thermodynamics:

این قانون اول ترمودینامیک است:

energy has to be conserved.

انرژی باقی می‌ماند.

But there's a piece of technology called a heat pump,

اما شکلی از فناوری وجود دارد که پمپ حرارتی نام دارد،

where for every bit of energy you put in, you get 3 to 5 times as much heat out.

جایی که شما کمی انرژی وارد می‌کنید و ۳ تا ۵ برابر گرما را خارج می‌کنید.

What wizardry is this?

چه چیز عجیبی در کار است؟

Heat pumps have been hailed as a climate-friendly heating solution

پمپ های حرارتی به عنوان راه حل گرمایشی سازگار با محیط زیست نسبت به

to traditional heaters,

هیترهای سنتی ستوده شده‌اند،

most of which operate by burning fossil fuels.

که بیشتر آن‌ها با سوزاندن سوخت‌های فسیلی کار می‌کنند.

So much so that in 2021,

به گونه‌ای که در سال ۲۰۲۱،

heating buildings was responsible for about 10%

گرمایش ساختمان‌ها حدود ۱۰٪ از انتشارات جهانی

of global energy-related CO2 emissions.

انرژی - محور CO2 را به خود اختصاص داده است.

Heat pumps reduce emissions in two ways—

پمپ‌های حرارتی انتشارات را به دو شکل کاهش می‌دهند -

first, they run on electricity,

اولاً با برق کار می‌کنند،

meaning less fossil fuel use as grids make the switch to renewable energy.

یعنی سوخت فسیلی کمتر صرف می‌کنند چون شبکه برق به انرژی تجدیدپذیر رو می‌آورد.

And second, they're more efficient than their counterparts,

و دوماً از رقبای خود پربازده‌تر هستند،

using less energy to produce the same amount of heat.

انرژی کمتری برای تولید همان میزان گرما مصرف می‌کنند.

Where a typical oil or gas boiler is, at best, about 90% efficient,

به نحوی که یک دیگ بخار گازی یا نفتی در بهترین حالت ۹۰٪ بازدهی دارد،

some heat pumps can achieve 500% efficiency.

اما برخی پمپ‌های حرارتی می‌توانند تا ۵۰۰٪ بازدهی داشته باشند.

Heat pumps rely on the same technology as air conditioners.

پمپ‌های حرارتی بر اساس همان فناوری کولرها کار می‌کنند.

And in fact, they often double as air conditioners,

و در واقع، اغلب در قیاس با کولر دو کار انجام می‌دهند،

heating your home in the winter and cooling it in the summer.

در زمستان منزل شما را گرم و در تابستان خنک می‌کنند.

How? Air conditioners take heat from your home and move it outside.

چگونه؟ کولر گرما را از منزل شما به بیرون می‌فرستد.

To do so, they harness the second law of thermodynamics.

برای این کار، قانون دوم ترمودینامیک را به کار می‌گیرند.

That’s the one that says that heat will always move from a hotter object

قانونی که می‌گوید حرارت همواره از جسم گرمتر

to a colder one.

به جسم سردتر منتقل می‌شود.

When you turn on your A/C,

وقتی کولر را روشن می‌کنید،

a fan blows the hot air from your home over coils

یک فن هوای گرم منزل را از روی کویل‌هایی عبور می‌دهد

containing a substance called a refrigerant.

که حاوی ماده‌ای به نام سردکننده است.

A refrigerant’s molecules turn to gas at relatively low temperatures,

مولکول‌های سردکننده به گازهایی با دمای پایین مبدل می‌شوند،

so as it collects thermal energy from the hot air in your home, it boils.

خوب هنگامی که انرژی موجود در هوای گرم منزل را جمع می‌کند، می‌جوشد.

Then, it passes into a compressor,

سپس وارد یک کمپرسور می‌شود،

which pushes the gas molecules closer together,

که مولکول‌های گاز را به هم فشرده می‌کند،

heating them up even more.

و آن‌ها را حتی گرم‌تر می‌کند.

Now that gas is hot— way hotter than the outside air.

حال این گاز داغ است- بسیار داغ‌تر از هوای بیرون.

So when a fan blows over the refrigerant,

خوب هنگامی که فن به سرکننده می‌دمد،

thermal energy transfers to the comparatively cold air outside.

انرژی گرمایی به هوای نسبتاً سرد بیرون منتقل می‌شود.

As the refrigerant releases heat, it starts to liquefy.

هنگامی که سردکننده گرما را آزاد می‌کند، کم‌کم مایع می‌شود.

It goes through an expansion valve, which decreases the pressure,

از یک شیر انبساط عبور می‌کند که فشار آن را کاهش می‌دهد،

causing it to get even colder.

که موجب حتی سردتر شدن آن می‌شود.

Now, it’s ready to pick up more heat from your house and start the cycle again.

حال آماده است که گرمای بیشتری از منزل شما را بردارد و چرخه دوباره آغاز می‌شود.

In winter, heat pumps work exactly the same way.

در زمستان، پمپ حرارتی دقیقاً به همین شکل کار می‌کند.

But this time they pick up heat from outside and move it into your home.

اما این بار گرمای بیرون را می‌گیرند و به منزل شما وارد می‌کنند.

Of course, it’s sometimes freezing outside when you want to use your heater.

البته گاهی هنگامی که می‌خواهید از هیتر خود استفاده کنید بیرون یخبندان است.

But the air doesn’t need to be warm—

اما نیازی نیست هوا گرم باشد -

it just needs to be warmer than the refrigerant to transfer its heat.

فقط کافی است از سردکننده گرمتر باشد تا گرما منتقل شود.

All this sounds great, but for now there are some drawbacks to this technology.

همه چیز عالی به نظر می‌رسد اما برخی معایب در مورد این فناوری وجود دارد.

First, refrigerants can be potent greenhouse gases.

اولا سردکننده‌ها می‌توانند گازهای گلخانه‌ای قوی باشند.

Hydrofluorocarbons are some of the most popular refrigerants.

هیدروفلوئوروکربن‌ها برخی از مشهورترین سردکننده‌ها هستند.

But a single hydrofluorocarbon molecule can have 2,000 times

اما یک مولکول منفرد هیدروفلوئوروکربن می‌تواند اثری معادل

the global warming impact of CO2.

۲۰۰۰ برابر CO2 در گرمایش زمین داشته باشد.

While in use, the refrigerant stays contained in a closed loop.

در حال کار، سردکننده در حلقه بسته باقی می‌ماند.

But when heat pumps, A/Cs, and refrigerators are improperly installed

اما با پمپ‌های حرارتی، کولرها و یخچال‌ها هنگامی که درست نصب نشوند

or thrown into landfills, the refrigerant can leak out.

یا دور انداخته شوند، سردکننده می‌تواند به بیرون نشت کند.

So scientists are trying to create new refrigerants

خوب دانشمندان به دنبال ساخت سردکننده‌های جدیدی هستند

that are better for the environment.

که برای محیط زیست بهتر باشد.

Also, the colder it is outside,

همچنین اگر بیرون سردتر باشد،

the less efficient an air-to-air heat pump will be.

بازدهی پمپاژ گرما از هوا به هوا کمتر خواهد بود.

Nevertheless, over half the buildings in icy Norway use heat pumps.

به هر حال، بیش از نصف ساختمان‌ها در سرمای نروژ از پمپ حرارتی استفاده می‌کنند.

Some people there have opted for pumps that draw heat from under the ground,

برخی افراد گرمایی که از زیر زمین به بالا منتقل می‌شود را برگزیده‌اند،

which stays more consistently warm, rather than heat from the air.

که نسبت به گرمای هوا به صورت پایدارتری گرم می‌ماند.

Finally, there's the cost.

در نهایت بحث هزینه است.

In the US, installing a small heat pump usually costs several thousand dollars,

در آمریکا، نصب یک پمپ حرارتی کوچک معمولاً چند هزار دلار هزینه دارد،

though some people need more powerful systems,

اگر چه برخی افراد بسته به اندازه منزل

depending on the size of their home or the temperature in winter.

یا دمای هوا در زمستان به سیستم‌های قوی‌تری نیاز دارند.

Often they’re only a little more expensive than installing a new A/C system,

اغلب فقط کمی از نصب یک سیستم سرمایش جدید گران‌تر است،

and the heat pump can save money on utilities in the long run.

و پمپ حرارتی در بلندمدت می‌تواند هزینه تأسیسات را کاهش دهد.

But replacing a working system requires an upfront investment

اما تعویض یک سیستم در حال کار نیازمند یک سرمایه اولیه است

that a lot of people just don’t have.

که بسیاری از افراد ندارند.

Still, as the risks of climate change loom,

همچنان به خاطر افزایش خطرات تغییر آب و هوایی

many countries are offering subsidies to help with the costs.

بسیاری از کشورها به عنوان کمک‌هزینه، یارانه‌هایی عرضه می‌کنند.

And some cities are creatively harnessing seas, sewage, and data centers

و برخی شهرها خلاقانه دریاها، فاضلاب و مراکز داده را به عنوان منابع گرما مهار

as heat sources, using heat pumps in manufacturing,

می‌کنند، با استفاده از پمپ‌های حرارتی در تولید،

and even creating giant heat pumps for entire districts.

و حتی ساخت پمپ‌های حرارتی بسیار بزرگ برای کل مناطق شهری.

So, are heat pumps actually breaking the first law of thermodynamics?

بنابراین، آیا پمپ‌های حرارتی واقعاً قانون اول ترمودینامیک را نقض می‌کنند؟

Of course not.

البته که خیر.

They’re just not using their electricity to make heat.

آن‌ها از برق برای تولید حرارت بهره نمی‌برند.

They're using it to power the compressor and spin the fans.

از برق برای تامین انرژی کمپرسور و چرخش فن‌ها بهره می‌برند.

They get the extra energy for free— from heat in the air or underground.

انرژی مازاد را رایگان استحصال می‌کنند - از حرارت هوا یا زیرزمین.

Which is how, by putting in 1 unit of energy,

که به همین طریق با صرف یک واحد انرژی،

you get 3 to 5 units of heat out.

شما ۳ تا ۵ برابر گرما خارج می‌کنید.

Seems like magic, but it's just physics.

شبیه جادوست ولی فقط فیزیک است.