Фазовые переходы

РАЗДЕЛ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДА

Способы получения низких температур

В холодильной технике отвод теплоты от охлаждаемого объекта необходимо осуществлять при температурах ниже температуры окружающей среды. Как правило, теплоту передают рабочему веществу (холодильному агенту), температура которого заранее понижена до необходимого уровня тем или иным способом.

На практике для получения низких температур и охлаждения рабочего вещества используют следующие способы: фазовые переходы, расширение газов и паров, термоэлектрический эффект, десорбцию газов и адиабатическое размагничивание парамагнетиков.

Фазовые переходы

С целью получения температур ниже температуры окружающей среды используются такие фазовые переходы, как плавление, растворение солей, кипение и сублимация.

Скрытая теплота плавления водного льда использовалась с целью охлаждения объектов до температур не ниже 0° С с древних времен. При достижении температуры плавления скорость движения молекул твердого вещества в пределах жесткой молекулярной структуры максимальна. При этой температуре любое дополнительное количество теплоты, полученное твердым веществом, вызывает его частичное плавление. При подаче достаточного количества теплоты вся масса твердого вещества переходит в жидкую фазу, в то время как температура остается постоянной. Вследствие поглощения теплоты плавления температура охлаждаемого объекта снижается.

С целью снижения температуры плавления вместо обычного водного льда можно использовать охлаждающие смеси, состоящие из раздробленного снега или льда с солью. В качестве второго компонента смеси наиболее широкое распространение получили хлорид натрия и хлорид кальция. При изменении концентрации охлаждающей смеси изменяется температура плавления. Например, смесь льда с хлоридом кальция при содержании 29,87% по массе хлорида кальция плавится при температуре -55 С.

Раствор, концентрации которого соответствует наиболее низкая температура плавления, называется эвтектическим (легкоплавящимся). Эвтектический раствор, залитый в герметичную емкость и замороженный, представляет собой аккумулятор холода (зеротор). При замораживании эвтектических растворов от них отводится энергия и они как бы аккумулируют холод, а при плавлении они поглощают теплоту и снижают температуру охлаждаемого объекта.

Процессы растворения некоторых солей в воде также сопровождаются поглощением определенного количества теплоты, что можно использовать с целью охлаждения. В настоящее время данный способ широкого практического применения не получил.

Одним из наиболее эффективных способов получения холода является кипение жидкостей при низких, отрицательных температурах кипения. Данный способ получения холода получил наиболее широкое применение и используется в парокомпрессионных, эжекторных, абсорбционных холодильных машинах, в том числе и бытового назначения.

При переходе вещества из жидкой фазы в пар его молекулы получают достаточно энергии для преодоления сил взаимного притяжения и силы тяжести. Энергетические затраты для совершения внутренней работы по преодолению этих сил очень велики, поэтому при переходе из жидкой фазы в пар вещество поглощает значительно больше теплоты, чем при переходе из твердой фазы в жидкую.

Скрытая теплота парообразования и температура кипения зависят от давления и теплофизических свойств холодильных агентов. Для получения умеренно низких температур (от 273 до 243 К) используют аммиак с нормальной температурой кипения -33,4 °С, фреоны, например, фреон-12 с температурой кипения -29,7 °С. Для получения криогенных температур от 120 до 4 К применяют криогенные жидкости, среди которых наибольшее распространение получили жидкий азот с температурой кипения 77 К (-196 °С). Наиболее низкой температурой кипения, равной 4 К (-269 °С) обладает гелий, который применяется для получения сверхнизких температур.

С целью получения низких температур получил применение фазовый переход веществ из твердого состояния в парообразное, называемый сублимацией. Твердое вещество сублимирует при температуре ниже температуры плавления. Процесс сублимации протекает подобно процессу испарения, но с гораздо меньшей скоростью. Молекулы, обладающие большой скоростью, преодолевают действие сил межмолекулярного притяжения и силы тяжести и вылетают из массы вещества в окружающую среду, превращаясь при этом в молекулы пара.

Примером использования сублимации для получения низких температур может служить охлаждение с помощью твердой углекислоты (сухого льда). При атмосферном давлении температура сублимации углекислоты равна -78 С, теплота сублимации - 573 кДж/кг. При создании над сухим льдом вакуума можно получить температуру до -100 С.