Термодинамические особенности низкотемпературных процессов

Первая, наиболее существенная особенность низких температур (T < T _о.с.) состоит в том, что их получение и поддержание в принципе существенно труднее, чем проведение соответствующих процессов применительно к высоким температурам (T > T _о.с.).

Именно поэтому в окружающей природе высокие температуры могут возникать спонтанно и встречаются очень часто, в то время как температуры более низкие, чем в окружающей среде, в природе, как правило, не встречаются.

Эту закономерность хорошо проиллюстрировал примером известный английский специалист по низким температурам Н. Курти: «...очень часто пожар возникает даже зимой; но самопроизвольное замерзание водопровода летом воспринималось бы с подозрением или чтилось бы как чудо» [1].

Объяснение этого факта можно получить, если учесть, что источниками энергии для любых технических (и биологических) процессов служат находящиеся в относительно равновесной окружающей среде (атмосфере, морской  воде и т. д.) или за ее пределами системы или объекты, отличающиеся от нее по каким-либо параметрам − например температуре, давлению или химическому потенциалу. К таким внешним объектам относятся топливо, солнечное излучение, гидравлическая энергия, энергия глубинных слоев земли и т. д. Сюда же относятся и ядерные источники энергии (уран, дейтерий и др.).

Использование энергии внешнего по отношению к окружающей среде объекта может проводиться двумя путями: непосредственно по назначению (например, энергия ветра, морских и речных течений, солнечная энергия) или с предварительным освобождением ее с помощью какого-то импульса либо спонтанно (например, сжигание топлива в системе топливо-воздух или пожар, о котором писал Курти).

Однако независимо от способа использования энергии другим телом она ему может быть только отдана. Таким путем можно только нагреть, тело, подняв его термический потенциал − температуру. Между тем для охлаждения нужно, напротив, понизить температуру тела, отводя энергию теплового движения от составляющих его молекул.

Непосредственно в земных условиях природа не создает условий для такого отнятия энергии. Для внешнего охлаждения какого-либо тела необходимо другое тело, с более низкой температурой. При получении такого тела возникают те же проблемы, что и при охлаждении первого. Самопроизвольно перейти от менее нагретого тела к более нагретому тепло не может − это противоречит второму началу термодинамики. Поэтому и невозможно самопроизвольное замерзание водопровода летом, о чем писал Н. Курти. Можно только использовать относительно небольшое изменение температуры среды, связанное с временами года, географической широтой или высотой над уровнем моря.

Недаром Ф. Бэкон выражал сожаление по поводу того, что «природа столь скудно доставляет нам холод» [2].

Таким образом, прямой путь − внешнее охлаждение − не дает воз­можности существенно охладить какое-либо тело ниже температуры ок­ружающей среды T _о._с. Следовательно, для получения низких температур необходимо создать некоторый искусственный процесс, конечным резуль­татом которого был бы не встречающийся в природе эффект существенного понижения температуры ниже T _о._с.В конечном счете это означает перенос энтропии в сторону, противоположную обычному направлению ее переноса [3, 4], т. е. от менее нагретого тела с Т< T _о._с. в окружающую среду с Т= T _о._с.

Условия проведения такого процесса определяются вторым началом термодинамики: процесс может протекать только при затрате работы.

Создание и совершенствование технических систем, пригодных для реализации такого процесса, должны вестись с учетом того обстоятельства, что многие термодинамические характеристики процессов существенно меняются при переходе в низкотемпературную область, которая имеет некоторые практически важные специфические особенности.

Первая − это существенное количественное изменение величин, оп­ределяющих затрату работы на проведение обратимых процессов, а также компенсацию потерь от необратимости при малых значениях Т.

Известно, что взаимные превращения тепла и работы при обратимом процессе (в конце которого состояние системы не отличается от начального) определяются соотношением Карно

(0-1)

или в более краткой форме

(0-1а)

где q − тепловой поток, подводимый к системе при температуре Т;

 − фактор Карно − эксергетическая температурная функция [5].

При T > T _о._с. (высокотемпературные процессы) 1> >0; при T < < T _о._с. (низкотемпературные процессы) - ∞< <0.

Это означает, что в низкотемпературной области работа, которую нужно затратить для отвода единицы тепла от внешнего объекта к си­стеме при некоторой температуре Т< T _о._с., может меняться в широком интервале от 0 до - ∞.

При T > T _о._с.работа, производимая в аналогичных условиях систе­мой при отводе единицы тепла q с уровня Т, меняется в относительно небольшом интервале от 0 до 1.

Таким образом, качественная характеристика теплового потока (эксергия тепла) при T < T ₀._с очень резко изменяется по мере понижения температуры и может достигать очень больших абсолютных величин, не существующих в области Т >Т _о. _с.

Энергетическая «стоимость» 1 кДж тепла на уровне азотных тем­ператур (77 К) в соответствии с формулой (0-1) составляет ~2,9 кДж, водородных (20 К) ~12 кДж, гелиевых (4,2 К) ~79 кДж; если же не­обходимо отвести 1 кДж тепла с уровня 0,1 К, то на это необходима ми­нимальная работа ~3000 кДж.

В реальных системах затрата работы l _р существенно выше, поскольку нужно учитывать и эксергетический к. п. д. η_е установки, показыва­ющий степень приближения процесса в ней к обратимому:

(0-2)

Значение η_е становится, как правило, тем меньше, чем ниже Т;поэтому значение реальной работы l _р>> l.

Следовательно, для низкотемпературных систем объективно харак­терно резкое увеличение удельных затрат работы по мере понижения рабочих температур.

* Знак минус показывает, что работа при подводе тепла к системе затрачивается, а не производится.

Вторая особенность области низких температур состоит в том, что ряд эффектов, характеризующих процессы при низких температурах, существенно отличается от тех, которыми сопровождаются аналогичные процессы при высоких температурах. Наиболее характерным примером может служить процесс дросселирования.

Известно, что в области температур Т> T _о._с.дросселирование всегда представляет собой процесс, термодинамическая эффективность которого вообще не рассматривается (оценивается лишь потеря), так как он не дает никакого положительного эффекта.

При температуре ниже T _о._с.процесс дросселирования, напротив, при определенных условиях служит высокоэффективным методом как пони­жения температуры рабочего тела, так и образования конденсированной фазы.

Аналогично качественные изменения характеристик связаны и с дру­гими процессами, например повышением и понижением давления в области низких температур.

В частности, сжатие с отводом тепла в окружающую среду − обыч­ный процесс для техники в области T > T _о._с. − невозможно осуществить при T < T _о._с.без дополнительной затраты работы в специальной системе охлаждения.

Третья особенность низкотемпературной области связана с появле­нием принципиально новых явлений, не существующих при высоких тем­пературах. Многие из них уже находят применение в криогенной технике.

К ним относятся прежде всего процессы, опирающиеся на исполь­зование свойств квантовых жидкостей, − такие как эффект, сопровожда­ющий растворение Не³ в Не⁴, понижение температуры Не³ при повышении давления (эффект Померанчука) или разделение сверхтекучей и нормальной компонент Не⁴.

Изменение теплофизических свойств сверхпроводников при перехо­де из сверхпроводящего состояния в нормальное дает возможности тех­нического использования сверхпроводимости как для охлаждения, так и во вспомогательных устройствах (тепловые ключи, тепловая изоляция и др.).

Наконец, различные следствия закона Нернста (в частности, зна­чительное уменьшение теплоемкости) существенно сказываются на тех­нических решениях, применяемых в системах, работающих на уровнях от водородных температур (~20 К) и ниже.

Специфические проявления общих термодинамических закономер­ностей, а также и появление новых явлений обусловливают в низкотем­пературной области своеобразный подход ко многим инженерным задачам.

В связи с этим в самом начале рассмотрения возникает необходи­мость установления и уточнения некоторых основных термодинамических понятий, относящихся к этой области.