Фізичні принципи одержання низьких температур

Для одержання низьких температур використовують фізичні процеси, які супроводжуються поглинанням теплоти. До таких проце­сів належить фазовий перехід речовини, що супроводжується поглинанням теплоти ззовні: плавлення, кипіння (випаровування), сублімація; адіабатичне дроселювання газу з початковою температу­рою, меншою за температуру верхньої точки інверсії (ефект Джоуля-Томсона); адіабатичне розширення газу з віддачею корисної зовніш­ньої роботи; вихровий ефект (ефект Ранка); термоелектричний ефект (ефект Пельтьє).

Діапазон низьких температур, які отримуються для задоволення потреб різних галузей народного господарства, дуже широкий - від температур навколишнього середовища до температур, близьких до абсолютного нуля.

Фазовий перехід речовини. Фазовий перехід ряду речовин при плавленні, кипінні (випаровуванні), сублімації відбувається при низьких температурах і з поглинанням значної кількості теплоти.

Найбільш доступною речовиною, що застосовується для одер­жання низьких температур, є водяний лід, який при атмосферному тиску плавиться при 0°С і має відносно велику величину питомої теплоти плавлення 335 кДж/кг. Більш низьку температуру плавлення можна одержати, змішуючи лід з деякими солями. Таким шляхом можна знизити температуру суміші до так званої кріогідратної (евтектичної) температури - найнижчої температури плавлення певної суміші.

У кріогідратній точці при масовій концентрації хлориду кальцію 29,9% суміш плавиться при -55 °С.

Отримання низьких температур у результаті використання процесу кипіння знайшло найбільш широке поширення. Температура кипіння речовини залежить від тиску: зі зменшенням тиску темпера­тура кипіння знижується і навпаки.

Отже, за допомогою однієї речовини можна одержати інтервал низьких температур, а вибираючи речовини з потрібними власти­востями — кожну з низьких температур.

Процеси випаровування використовують переважно для зни­ження температури води чи вологих поверхонь.

Джерелом низької температури може бути тверда вуглекислота (сухий лід), що при атмосферному тиску має температуру сублімації -78,5°С, питому теплоту 574 кДж/кг. Сублімація водяного льоду при тиску, нижчому за атмосферний, відбувається при температурі нижче 0°С. Цей процес використовують при сублімаційному сушінні харчових продуктів.

Адіабатичне дроселювання. Адіабатичним дроселюванням називається необоротне розширення газу (рідини) при його проходженні через пристрій з малим прохідним перетином (дросель, пориста перегородка). Процес протікає швидко, тому теплообмін із навколишнім середовищем практично не відбувається і ентальпія речовини не змінюється. Корисна зовнішня робота не відбувається, тому що робота проштовхування переходить у теплоту тертя.

При адіабатичному дроселюванні реального газу (на відміну від ідеального) внаслідок зміни внутрішньої енергії здійснюється робота проти сил взаємодії молекул. Це веде до зміни температури газу (ефект Джоуля-Томсона), її підвищення чи зниження залежно від його первісного стану.

Для всіх газоподібних речовин в області, близькій до критичної, адіабатичне дроселювання призводить до зниження температури. Процес адіабатичного дроселювання використовують для одержання помірно низьких і кріогенних температур.

Адіабатичне розширення газу. Одержання низьких температур у результаті адіабатичного розширення газу з віддачею корисної зовнішньої роботи можливе при будь-якому стані газу, оскільки температура змінюється у бік зниження.

Адіабатичне розширення газу в детандері (розширникові) застосовують для одержання кріогенних температур.

Вихровий ефект. При подачі стиснутого повітря, що має темпе­ратуру навколишнього середовища, по тангенціальному введенню в трубу швидкість обертання повітря буде обернено пропорційна радіусу. Центральна частина потоку буде мати більшу швидкість, ніж периферійна. У зв'язку з цим температура повітря біля стінки труби буде вища, а в центрі - нижча за температуру повітря, що подається в трубу.

Розділяючи периферійну і центральну частини потоку, можна одержати потоки повітря з низькою і високою температурами. Це явище називається ефектом Ранка.

Термоелектричний ефект. Термоелектричний ефект (ефект Пельтьє) полягає у тому, що під час проходження постійного електричного струму через ланцюг, що складається з двох різно­рідних металів, один із спаїв має низьку температуру, а інший -високу.

Основний показник якості термоелемента - коефіцієнт доброт­ності, що визначає максимальну різницю температур гарячого і холодного спаїв. Холодний спай є джерелом низької температури.

Отже, здійснюючи певний фізичний процес, можна одержати джерело потрібної низької температури, яке необхідне для того, щоб з його допомогою знизити температуру тіла, тобто остудити його відповідно до вимог технології виробництва. Наприклад, для збере­ження якості харчових продуктів, що швидко псуються, їх необхідно остудити до певної температури (припустимо, 0°С) і підтримувати цю температуру упродовж терміну зберігання.

Для охолодження продуктів можна використовувати будь-яке джерело, але з температурою більш низькою, ніж та, яку повинен мати продукт, щоб теплота природним шляхом переходила від продукту до джерела.

Безмашинні способи одержання холоду ґрунтуються на плав­ленні, випаровуванні, сублімації, а в термоелектричних охолоджу­вальних пристроях - на ефекті Пельтьє.