Eg står med døra open og koper inn i kjøleskåpet. Ifylgje informerte kjelder er eg ikkje åleine om det. Hovudet er fylt av det eg nettopp har lese: C. P. Snows vedunderlege bok om to kulturar. Han seier som sant er, at det er like viktig for eit danna menneske å forstå termodynamikkens andre lov som å gleda seg over Shakespeares sonettar.

Sonettane har eg i bokhylla oppe, men føre meg står kjøleskåpet som eit strålande døme på bruk av termodynamikkens andre lov. Som ein danna fyr veit eg sjølvsagt korleis det verkar. Kjøleskåpet stel varme frå maten min og slepper han ut på baksida.

Termodynamikkens andre lov seier at overføring av varme alltid skjer frå ein stad med høgare temperatur til ein stad med lågare temperatur. Jobbar då kjøleskåpet stikk i strid med lova? Nei, men for å få varme til å gå andre vegen må ein utføra eit arbeid, og den som jobbar, er kompressoren, som pressar saman ein gass rundt i ein lukka krins inne i kjøleskåpet.

Ei varmepumpe, figur 1, er eigentleg eit kjøleskåp sett inn i ytterveggen på huset. På utsida har ein opna kjøleskåpsdøra på vidt gap og i tillegg sett på ei vifte som skal få utelufta inn i skåpet. I stova har ein baksida av kjøleskåpet som gjev frå seg varme.

Også der har ein ei vifte for å få varme ut i rommet. Det er bråket frå denne vifta som har fått meg til å nøla med å kjøpa varmepumpe, sjølv om både ho og ei lågare straumrekning ville varma.

La oss opna ei varmepumpe og sjå på dei indre kvalitetane. Figur 2 visar ei prinsippskisse av det indre krinslaupet.

For å få tak i energien ute må fordamparen ha lågare temperatur for å tilfredsstilla termodynamikkens andre lov, som seier at varme går frå høg til lågare temperatur. På same vis må temperaturen til kondensatoren vera høgare enn innetemperaturen.

I krinslaupet er det eit såkalla arbeidsmedium som blir drive rundt av kompressoren for å syta for energioverføring frå ute til inne. Å arbeida mot termodynamikkens andre lov krev arbeid, og det gjer kompressoren.

Lat oss starta med fordamparen. For å seia det med Vinje: «Og same vind den heite panna svalar.» Fordamping krev varme, og han vert henta frå utelufta. Kompressoren sørgjer for å trykkja den fordampa gassen saman, og temperaturen stig med auka trykk. Kondensatoren gjer det same som radiatoren på ein bil. Varme går til omgjevnaden, dampen mistar energi og kondenserer. I strupeventilen sørgjer kompressoren for at ein tynn stråle av væske og damp vert sogen inn i fordamparen. Trykket vert dermed lågare, og arbeidsmediet blir kaldt.

Det er ein stor fordel å kjøpa ei varmepumpe som kan styra trykkfallet i strupeventilen, sidan temperaturen varierer ute. På den måten blir temperaturen i fordamparen tilpassa. Dess høgare trykk dampen som strøymer inn i kompressoren, har, dess mindre effekt trengst for å oppnå det nødvendige trykket i kondensatoren. Slik får ein same varmeyting, men ved lågare elektrisk energibehov.

For at varmepumpa skal kunne forsvarast økonomisk, må energien ein hentar utanfrå, vera større enn den kompressoren forbruker. Effektfaktoren (COP (coefficient of performance)) til ei varmepumpe er forholdet mellom gjeven varme inne og energien kompressoren bruker. Kva kan ein forventa? Maksimal COP=1/(1-(T ute/T inne)). Temperaturen er gjeven i Kelvin. Det er berre å plussa på 273,15 på temperaturen målt i Celsius. Oppnåeleg COP vil vera vesentleg lågare på grunn av temperaturskilnadene mellom varmepumpa og omverda i tillegg til energitap i kompressor og strupeventil.

Vanlegvis oppgjev ein ytinga til ei varmepumpe med sesongeffektfaktoren. Ho er den varmemengda som vert levert til huset i løpet av ein heil sesong, og den elektriske energimengda som er naudsynt for å køyra varmepumpa i same tidsrom. I Noreg bør effektfaktoren oppgjevast ved minus sju gradar celsius, og ein typisk oppnåeleg effektfaktor er kring 3.

Eit eigna arbeidsmedium, fluidum (væske eller gass), må ha gode fysiske, kjemiske, miljømessige, tryggleiksmessige og økonomiske eigenskapar. Det må ha høg tettleik, vera lettflytande, lite giftig og lite brennbart og ikkje vera ozonnedbrytande eller ein klimagass. No bruker ein ofte arbeidsmediet R-410A som har like mengder difluormetylen og pentafluoretan.

Kva handlar termodynamikkens andre lov eigentleg om? Eg tek mjølka ut av kjøleskåpet og utfører favorittøvinga mi: I eit duralexglas fylt med vatn slepper eg ein drope mjølk. Mjølkedropen spreier seg på grunn av tilfeldige rørsler i mjølka. Sannsynet for at einskilde mjølkepartiklar skal finna vegen ut i vatnet, er større enn at dei blir verande i dropen. Det som skjer, er ein diffusjon. Det at varme går frå høgast til lågast temperatur, er også ein diffusjonsprosess.

Denne naturens trong til diffusjon har fått eit namn, nemleg entropi, og entropien vert berekna med statistisk mekanikk. Når ting spreier seg, aukar entropien, og naturen er dømd til evig entropiauke. Når du klarer å halda kroppen din på 37 grader celsius og tilsynelatande har konstant entropi, er det fordi du et mat og dermed aukar verdas entropi totalt sett.

Livet er ein kamp mot entropien som me er dømde til å tapa. Eg finn fram læreboka mi i fysikalsk kjemi. Romanforfattarar veit at fyrste setninga er viktigast. Det har nok inspirert fagbokforfattaren David L. Goodstein. Eg les innleiinga til fyrste kapittel: «Ludwig Boltzmann, who spent much of his life studying statistical mechanics, died in 1906, by his own hand. Paul Ehrenfest, carrying on the work, died similarely in 1933. Now it is our turn to study statistical mechanics.»

Trøysta får vera at Boltzmann fekk formelen sin, S=k*log(W), på gravstøtta si. S er entropi, k ein konstant, W sannsyn. Entropien aukar logaritmisk med sannsynet for ein gjeven tilstand, og dess meir diffusjon, dess større sannsyn. Det er meir sannsynleg at mjølka spreier seg, enn at ho blir verande i dropen. No kan me termodynamikkens andre lov med meir og er endeleg vortne danna menneske med innsikt i båe kulturar. Salige C. P. Snow ville ha gråte av glede.

Per Thorvaldsen

per.eilif.thorvaldsen@hvl.no