ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Охлаждением называют процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Понизить температуру вещества можно путем уменьшения его внутренней энергии. Поэтому для искусственного охлаждения создают такие условия, при которых тепловая энергия (тепло) отводится от охлаждаемого тела (охлаждаемой среды) и воспринимается другим, более холодным телом. Для длительного охлаждения необходимо, чтобы восприятие тепла охлаждающим телом происходило без повышения его температуры, так как иначе температуры обоих тел (охлаждаемого и охладителя) станут одинаковыми и охлаждение прекратится. Таким свойством обладают тела при некоторых изменениях своего состояния, например, твердые тела могут воспринимать внешнее тепло без повышения своей температуры при плавлении или таянии; жидкие в процессе испарения или кипения.

В основе современных промышленных способов охлаждения лежат процессы испарения или кипения, плавления или таяния и сублимации. Все эти процессы протекают с поглощением тепла из окружающей среды.

При переходе тела из твердого состояния в жидкое (плавление или таяние) тепло, воспринимаемое им извне, затрачивается на изменение связей между молекулами вещества, на ослабление сил его молекулярного сцепления. Когда тело переходит из жидкого состояния в парообразное (испарение или кипение), тепло расходуется также на преодоление сил молекулярного сцепления жидкого тела и работу его расширения. В случае перехода тела из твердого состояния непосредственно в газообразное (сублимация) тепло расходуется на преодоление сил сцепления молекул вещества и внешнего давления, препятствующего этому процессу.

На свойстве тел поглощать внешнее тепло при плавлении или таянии основано охлаждение льдом и льдосоляными смесями.

Охлаждение посредством поглощения внешнего тепла при кипении летучих жидкостей осуществляется холодильными машинами. Свойство тел поглощать внешнее тепло при их сублимации используется для охлаждения так называемым сухим льдом. Наиболее распространенным в настоящее время является охлаждение холодильными машинами.

Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических принципах, например адиабатическом расширении газов, термоэлектрическом явлении (эффекте Пельтье).

При адиабатическом расширении работа, совершаемая расширяющимся телом, производится за счет уменьшения его внутренней энергии, вследствие чего температура тела сильно понижается. Например, адиабатическое расширение воздуха от 0,4 до 0,1 МПа сопровождается понижением его температуры от 20 до -75°С.

Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного электрического тока через цепь, состоящую из разнородных проводников (ветвей), в местах их соединений (спаев) наблюдается разность температур, т.е. один спай имеет более высокую температуру (теплый спай), чем другой (холодный спай). Количество энергии, переносимое от холодного спая к теплому, пропорционально силе тока в цепи термоэлемента. Изменение полярности тока приводит к перемене мест теплого и холодного спаев.

Термоэлектрические элементы начали использовать в охлаждающих устройствах после того, как были найдены высокоэффективные полупроводниковые материалы для их ветвей. Термоэлемент представляет собой два последовательно соединенных полупроводника, образующих его ветви. Одну ветвь изготовляют из дырочного, а другую из электронного полупроводникового материала. Ветви соединяются спаями. Разность температур, получаемая на спаях термоэлемента, и эффективность термоэлектрических устройств по сравнению с другими охлаждающими устройствами зависят от материала ветвей.

Промышленность выпускает термоэлектрические устройства для холодильных шкафов, охлаждаемых баров, холодильных ларей и т.д. Положительной особенностью этих устройств является непосредственное использование электрической энергии для переноса тепловой энергии с низкого температурного (холодный спай) уровня на более высокий (теплый спай) без промежуточных устройств и механизмов.