Физические основы получения холода

Для осуществления процесса охлаждения необходимо иметь два тела, между которыми происходит теплообмен,- охлаждаемое и охлаждающее.

Непрерывное охлаждение можно обеспечить при сравнительно большом количестве охлаждающего вещества (рабочего тела) или при конечном запасе охлаждающего вещества, если восстанавливать его первоначальное состояние. Второй способ охлаждения - получения низких температур - нашел широкое распространение в холодильной технике при использовании различных машин. Безмашинные методы получения холода основаны на переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое (плавление, испарение, сублимация) и на термоэлектрическом аспекте Пельтье.

Для получения низких температур используют физические процессы, сопровождающиеся поглощением теплоты. К ним относятся: фазовые переходы вещества (плавление, кипение, сублимация); адиабатическое дросселирование газа (эффект Джоуля - Томсона); адиабатическое расширение газа с отдачей полезной внешней работы; вихревой (Ранка) и термоэлектрической (Пельтье) эффекты.

Диапазон низких температур, получаемых с использованием различных холодильных установок, для удовлетворения нужд народного хозяйства, очень велик и условно делится на умеренно низкие температуры (от температуры окружающей среды до – 153 °С) и криогенные температуры (от -153°C до температур, близких к абсолютному нулю).

ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ. Все тела, являющиеся предметами труда в холодильной технике, находятся в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном; оно определяется средним расстоянием между молекулами. Причины, по которым тела сохраняют свойства, присущие данному агрегатному состоянию, данной фазе, известны из курса физики. Рассмотрим процессы перехода тел из одних состояния в другие, так называемые фазовые переходы.

С увеличением температуры растет кинетическая энергия молекул и среднее расстояние между ними, а под действием повышающего давления происходит обратный процесс: уменьшается среднее расстояние между молекулами и их кинетическая энергия, но растет потенциальная энергия их взаимного расположения.

При определенной температуре, называемой ТЕМПЕРАТУРОЙ ПЛАВЛЕНИЯ (ЗАТВЕРДЕВАНИЯ), вещество переходит из твердого состоя­ния в жидкое (или наоборот).

Получение низких температур путем использования процесса кипения нашло наиболее широкое распространение. Достигая температуры кипения, жидкость переходит в другое состояние – превращается в пар; причем парообразование происходит как с поверхности жидкости (испарение), так и внутри нее с подъемом пузырьков пара к поверхности (кипение). При этом фазовом переходе расходуется определенное количество теплоты, называемое ТЕПЛОТОЙ ПАРООБРАЗОВАНИЯ и измеряемое в тех же единицах, что и теплота.

Температура кипения зависит от давления над жидкостью: с уменьшением давления температура кипения понижается и наоборот. Поэтому, выбирая вещества с нужными свойствами, можно получить практически любую низкую температуру.

Пар, находящийся над жидкостью, называется насыщенным и может быть влажным (если содержит в себе мелкие частицы жидкости) или сухим (после отделения от жидкости). Если пар нагрет выше температуры кипения при том же давлении, то он называется перегретым, а степень перегрева характеризуется давлением.

Процесс образования жидкости из пара, при котором происходит выделение теплоты, как и при других обратных фазовых переходах называется, КОНДЕНСАЦИЕЙ. При постоянном давлении значения температуры конденсации и кипения совпадают.

Иногда вещество может перейти из твердого состояния в газообразное непосредственно, минуя жидкую фазу (СУБЛИМАЦИЯ). Например, углекислота - сухой лед - интенсивно сублимируется на от­крытом воздухе, поглощая из него теплоту, которая расходуется на преодоление сил сцепления молекул сухого льда и влияния внешнего давления, препятствующих этому процессу.