Физические принципы получения низких температур

1. Охлаждение за счет фазовых превращений.

Температура плавления (затвердевания) зависит от вида вещества и давления окружающей среды.
При атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) температура плавления водного льда равна 0°С. Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг льда в воду (или наоборот), называется скрытой или удельной теплотой плавления r. Для водного льда r=335 кДж/кг.
Количество теплоты, необходимое для превращения льда массой М в воду, определяют по формуле: Q=Mr.
Из сказанного следует, что одним из способов искусственного охлаждения является отвод теплоты за счет плавления вещества в твердом состоянии при низкой температуре.

На практике этот способ давно и широко применяют, осуществляя охлаждение с помощью заготовленного зимой с использованием природного холода водного льда или с помощью замороженной в льдогенераторах с использованием холодильных машин воды.
При плавлении чистого водного льда температуру охлаждаемого вещества можно понизить до 0°С. Для достижения более низких температур используют льдосоляные смеси. В этом случае температура и скрытая теплота плавления зависят от вида соли и ее содержания в смеси. При содержании в смеси 22,4% хлористого натрия температура плавления льдосоляной смеси равна —21,2°С, а скрытая теплота плавления составляет 236,1 кДж/кг.

Применяя в смеси хлористый кальций (29,9%), можно понизить температуру плавления смеси до —55°С, в этом случае r= =214 кДж/кг.

Сублимация — переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, с поглощением теплоты. Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортировки в замороженном состоянии широко используют сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода). При атмосферном давлении сухой лед, поглощая теплоту из окружающей среды, переходит из твердого состояния в газообразное при температуре —78,9°С. Удельная теплота сублимации r—571 кДж/кг.

Сублимация замороженной воды при атмосферном давлении происходит при сушке белья зимой. Этот процесс лежит в основе промышленной сушки пищевых продуктов, (сублимационная сушка). Для интенсификации сублимационной сушки в аппаратах (сублиматорах): поддерживают с помощью вакуумных насосов давление ниже атмосферного.

Кипение — процесс интенсивного парообразования на поверхности нагрева за счет поглощения теплоты. Кипение, жидкости при низкой температуре является одним из основных процессов в парокомпрессионных холодильных машинах. Кипящую жидкость называют холодильным агентом (сокращенно — хладагент), а аппарат, где он кипит, забирая теплоту от охлаждаемого вещества,— испарителем (название не совсем точно отражает суть происходящего в аппарате процесса). Количество теплоты Q, подводимое к кипящей жидкости, определяют по формуле: Q=Mr,
где М — масса жидкости, превратившейся в пар. Кипение однородного («чистого») вещества происходит при постоянной температуре, зависящей от давления. С изменением давления меняется и температура кипения. Зависимость температуры кипения от давления кипения (давления фазового равновесия) изображают кривой, называемой кривой упругости насыщенного пара.

Хладагент R12, имея значительно меньшую скрытую теплоту парообразования, обеспечивает работу холодильной машины при более низких (по сравнению с работой на аммиаке) давлениях конденсации, что для конкретных условий может иметь решающее значение.

2. Дросселирование (эффект Джоуля — Томпсона).

3. Расширение с совершением внешней работы.

4. Вихревой эффект (эффект Ранка — Хильша).

5. Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье).