איך עובד מזגן?

את העובדה שאנו יכולים לשבת בחדר ממוזג ביום קיץ חם, אנחנו חבים בצורה עקיפה למהפכת הדפוס שיסודותיה במכונה שפיתח יוהן גוטנברג באמצע המאה ה-15. מדוע? לפני כ-120 שנה, חברת "סאקט-ויהלמס ליטוגרפיה והוצאה לאור" מברוקלין  עמדה בפני מכבשי דפוס שבורים: החום העז והלחות הגבוהה של הקיץ הניו-יורקי עשו שמות בגליונות הנייר של בית הדפוס, והדיו הצבעוני, שסאקט-ויהלמס התמחו בו, לא נדבק לנייר. הישועה הגיעה בדמותו של מהנדס בן 25, ויליס קרייר (Carrier), שהגה רעיון מבריק: כדי להפחית את הלחות באוויר, אפשר להעביר את האוויר הלח על גבי צינורות מים קרים. האדים שהאוויר הלח מכיל מתעבים על גבי הצינורות, הלחות באוויר שבחדר יורדת, וכתוצר לוואי מבורך יורדת גם הטמפרטורה. הצורך בהורדת הלחות כדי להציל את גליונות הנייר, שיפר בצורה ניכרת גם את חוויית העבודה של עובדי בית הדפוס, שזכו לעבוד כעת בסביבה לחה פחות וקרירה יותר, גם בשיא הקיץ.

גרסה משודרגת של המכונה של קרייר התחילה להיכנס לשימוש נרחב באולמות  תיאטרון וקולנוע בתחילת שנות ה-20 של המאה העשרים, אך רק אחרי מלחמת העולם השניה המזגנים הראשונים הפכו להיות מוצר זמין בארצות הברית ובמקומות אחרים בעולם. הדבר מודגש בכותרת של כתבה רחבה במגזין לייף משנת 1945: " מיזוג אוויר: אחרי המלחמה הוא יהיה מספיק זול כדי להתקין אותו בכל בית".

למרות שהמזגן הראשון הומצא רק בתחילת המאה ה20, העקרונות הפיזיקליים שמאפשרים את פעולתו נחקרו והתבססו כבר באמצע המאה ה-19, וקשורים ליסודות של אחד מענפי הכימיה הפיזיקלית: התרמודינמיקה.

התחיל מבית דפוס, הפך לאימפריה של מזגנים. ויליס קרייר ליד מערכת מיזוג אוויר | מקור: SCIENCE SOURCE / SCIENCE PHOTO LIBRARY

איך עובד מזגן?

בימי הקיץ החמים, המטרה העיקרית של מזגן היא לקרר את האוויר בחלל מסוים. אולם, מתוך החוק הראשון של התרמודינמיקה, הלא הוא חוק שימור האנרגיה, אנחנו יודעים שאנרגיה, ובכלל זה חום, אינה יכולה פשוט להיעלם. ואכן, מזגן אינו "מעלים" את החום באורח פלא, אלא פשוט מוציא אותו החוצה. 

איך זה קורה? הרכיב העיקרי במזגן הוא מערכת צינורות שזורם בה נוזל קירור. בשלב ראשון, כאשר נוזל הקירור בא במגע עם האוויר החם שנמצא בחדר, הנוזל מתחמם עד שהוא מגיע לטמפרטורה מספיק גבוהה והופך לגז. המעבר של הנוזל למצב צבירה גז דורש השקעה של חום, למרות שהטמפרטורה לא משתנה בשלב הזה. החום שמושקע במעבר בין מצב צבירה נוזל לגז מגיע מהאוויר החם שבחדר, וכך האוויר בחדר "מאבד" את החום שלו ומתקרר. 

כדי שהמזגן יוכל לעבוד באופן מחזורי, מערכת הצינורות שמכילה את הגז יוצאת מחוץ לבית. החום שבגז משתחרר לאוויר הפתוח שמחוץ לבית בעזרת לוחות מתכת ייעודיים שנמצאים ביחידה החיצונית של המזגן, שנקראת גם "מנוע". כדי להפוך את הגז בחזרה לנוזל, הגז עובר דחיסה ועיבוי. נוזל הקירור מועבר כעת חזרה לתוך הבית, מוכן לסיבוב נוסף של קירור. תהליך זה מואץ בעזרת מאווררים שדוחפים את האוויר החם בבית אל עבר הצינורות המכילים את נוזל הקירור, וכן בעזרת מאוורר חיצוני שמאיץ את פליטת החום מחוץ לבית. 

הפך למוצר נפוץ בכל בית. מזגן חלון בהולנד בשנות החמישים | מקור: Willem van de Poll, הארכיון הלאומי של הולנד, ויקיפדיה

מעגל קרנו הפוך

המזגן, אם כך, הוא מכונה שפועלת באופן מחזורי. קבוצה דומה של מכונות שפועלות  באופן מחזורי היא מנועים, שמקובל לתאר אותם בעזרת "מעגלי קרנו", על שם העקרונות שפיתח הפיזיקאי הצרפתי ניקולא לאונרד סאדי קרנו (Sadi Carnot) כבר באמצע המאה ה-19. מעגל קרנו מסביר איך אפשר להמיר חום לעבודה בצורה מחזורית, בהתבסס על החוק השני של התרמודינמיקה.

אולם, מנוע ומזגן הם בעצם שני הפכים. המטרה של מנוע רגיל היא לעשות עבודה, כמו להניף משקל כבד או להניע טרקטור, ולשם כך צריך להשקיע חום (שמתקבל בדרך כלל משריפת דלק). בניגוד לכך, המטרה של מזגן היא "לשאוב" חום, ולשם כך צריך להשקיע עבודה. לכן, כדי שמזגן יפעל צריך מנוע שעושה עבודה, וכדי שמנוע יעבוד צריך חום. בהתאם לכך, מקובל לתאר את אופן הפעולה של מזגן גם  כ"מעגל קרנו הפוך".

המפתח לעבודה תקינה של המזגן: גז מתאים. מכלי גז ומד לחץ לתיקון מזגנים | צילום: adriaticfoto, Shutterstock

גז מזגנים

מכיוון שנוזל הקירור, אשר נקרא לפעמים גם "גז מזגנים" הוא חלק מהותי מאופן פעולתו של מזגן, יש חשיבות רבה לחומר ולתכונות הפיזיקליות שלו. למשל, טמפרטורת האידוי שלו צריכה להיות נמוכה מספיק כדי שהוא יעבור בקלות ממצב צבירה נוזל לגז. בנוסף, חשוב שנוזל הקירור לא יהיה רעיל, לא יהיה דליק, ולא יפגע בסביבה באופן משמעותי. בעבר, השתמשו בקבוצת חומרים המכילים אטומי פחמן, מימן, כלור ופלואור, ונקראים באופן כללי  CFC (פחמנים פלואורו-כלוריים, Chlorofluorocarbons), אבל מכיוון שחומרים אלו פוגעים בשכבת האוזון כאשר הם דולפים לאטמוספרה, השימוש בהם פחת. כיום, מקובל להשתמש בתערובת המורכבת מחומרים שמכילים אטומי פחמן מימן ופלואור (דִיפְלוּאוֹרוֹמֶתָאן ופֶּנְטָה-פְלוּאורואתאן)/ התערובת מכונה גם R410, ונמכרת בכמה שמות מסחריים. חומרים אלו, שאינם מכילים ברום או כלור, אינם פוגעים באוזון, ועדיין מתאימים לשימוש מבחינת התכונות הפיזקליות שלהם. עקרון דומה משמש גם לשליטה בטמפרטורה במקררים ובמקפיאים. 

כיום, רוב המזגנים מכילים אפשרויות לבקרת טמפרטורה ולשליטה בעצמת המאוורר שמחזיר את האוויר מצינורות הקירור אל חלל החדר. לעתים, במערכות מיזוג מרכזיות, יש מרחק רב בין הצינורות המכילים את נוזל הקירור לבין האוויר בחדר, ובין היחידה החיצונית של המזגן שתפקידה לשחרר את החום לסביבה. לשם כך, מוסיפים למזגן מערך של צינורות האחראי על העברת האוויר מהחלל אותו רוצים לקרר אל עבר הצינורות המכילים את נוזל הקירור. ועדיין, עקרון הפעולה שתיארנו תקף לגבי מזגנים גדולים, קטנים, חכמים או טיפשים.