Физические процессы получения низких температур

Охлаждение — процесс понижения температуры тела. Для охлаждения нужно иметь два тела: охлаждаемое и охлаждающее — источник низкой температуры. Охлаждение продолжается, пока между телами происходит теплообмен. Источник низкой темпера­туры должен функционировать постоянно, так как охлаждение следует осуществлять непрерывно. Это возможно при достаточно большом запасе охлаждающего вещества или если постоянно вос­станавливается его первоначальное состояние. Последнее широко применяется в холодильной технике с использованием различ­ных холодильных машин.

Различают естественное и искусственное охлаждение. При ес­тественном охлаждении теплота от более нагретого тела перехо­дит к менее нагретому (среде). Искусственное охлаждение предпо­лагает получение температуры охлаждаемой среды ниже темпера­туры окружающей среды. Низкие температуры получают путем физических процессов, при протекании которых происходит по­глощение извне теплоты без повышения температуры тела.

К основным физическим процессам, сопровождающимся по­глощением теплоты, относятся фазовые переходы вещества: плавление или таяние при переходе тела из твердого состояния в жидкое; испарение или кипение при переходе тела из жидко­го состояния в парообразное; сублимация или возгонка при пе­реходе тела из твердого состояния непосредственно в газооб­разное.

Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических процессах, например адиабатическом дросселирова­нии газа с начальной температурой меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с от­дачей полезной внешней работы; вихревом эффекте.

Фазовый переход вещества при плавлении или таянии, испа­рении или кипении, сублимации или возгонке происходит при соответствующих температурах и давлениях с поглощением зна­чительного количества теплоты.

Для получения низких температур (но не ниже 0°С) может быть применен водный лед, который в условиях атмосферного давления плавится при 0°С и имеет сравнительно большую вели­чину удельной теплоты плавления — 335 кДж/кг. Если давление ниже атмосферного, сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0°С, что используют в сублимационной сушке пищевых продуктов.

Более низкие температуры плавления можно получить, сме­шивая лед с некоторыми солями, например с хлоридом кальция (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма состояния системы

хлорид кальция - лед

Самая низкая температура плавления смеси хлорида кальция со льдом достигается в криогидратной (эвтектической) точке, которая равна -55 °С при массовой концентрации хлорида кальция ξ = 29,9 %. Источником низкой температуры может служить твердый диоксид углерода (сухой лед), имеющий при атмосферном давлении темпе­ратуру сублимации -78,5 °С и удельную теплоту 574 кДж/кг.

Более широко распространено получение низких температур с использованием процесса кипения. С помощью одного вещества можно получить определенный интервал температур, поскольку температура его кипения зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения понижается, и наоборот. С помощью различных веществ можно получать низкие температуры в широ­ком диапазоне. Процесс испарения используют, например, для понижения температуры воды или влажных поверхностей.

Адиабатическим дросселированием называют процесс необрати­мого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (рас­ширение) при прохождении через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка и т.д.) без совершения внешней работы и отдачи или получения теплоты.

Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окру­жающей средой практически не происходит и энтальпия (тепло­содержание) вещества не изменяет­ся. Полезная работа не совершает­ся, так как работа проталкивания пе­реходит в теплоту трения. Энталь­пия — это функция состояния, рав­ная сумме внутренней и потенциаль­ной энергии давления (PV), где Р — давление; V— объем.

При адиабатическом дросселиро­вании реального вещества в отличие от идеального вследствие изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры вещества. Изме­нение температуры реального вещества при дросселировании на­зывается эффектом Джоуля —Томсона.

В зависимости от начального состояния реального вещества перед дросселем температура его при дросселировании может уменьшаться, увеличиваться и оставаться без изменения.

Точка, соответствующая начальному состоянию вещества, в которой его температура при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответ­ствующая этой точке, — температурой инверсии. Точку инверсии можно определить, построив в координатах TV (температура — объем вещества) изобару и проведя к ней касательную из начала координат. При начальных температурах газа ниже температуры инверсии он при дросселировании будет охлаждаться, выше — нагреваться.

Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеют довольно высокую температуру инверсии (600°С и выше), поэто­му практически для всех газообразных веществ в области, близ­кой к критической, адиабатическое дросселирование приводит к понижению температуры.

При адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внеш­ней работы получение низких температур возможно при любом его состоянии, так как температура изменяется в сторону понижения. В отличие от адиабатического дросселирования в этом случае эффект возможен и для идеального газа, при этом понижение температу­ры в процессе адиабатического расширения при прочих равных условиях бывает более значительным, чем при дросселировании.

Адиабатическое расширение газа в детандере (расширителе) используют для получения криогенных температур.

Вихревой эффект достигается в вихревых трубах при подаче в них по тангенциальному вводу сжатого воздуха, имеющего темпе­ратуру окружающей среды. Скорость вращения воздуха в трубе обратно пропорциональна ее радиусу. Центральная часть вращаю­щегося потока имеет большую скорость, чем периферийная, вслед­ствие чего температура воздуха у стенок трубы выше, а в центре ниже, чем температура подаваемого в трубу воздуха. Можно полу­чить потоки воздуха с низкой и высокой температурами, если разделить центральную и периферийную части потока. Это явле­ние называется эффектом Ранка.

Таким образом, через определенный физический процесс мож­но получить источник требуемой низкой температуры, необходи­мый для охлаждения тела.

Низкие температуры (от температур окружающей среды до близких к абсолютному нулю) условно подразделяют на об­ласть умеренного холода (до -103 °С, или 170 К), глубокого охлаждения (от -103 до -203 ⁰С, или от 170 до 70 К), криогенные (от -203 до -272,7 °С, или от 70 до 0,3 К) и сверхнизкие (от -272,7 до -272,9992 °С, или от 0,3 до 8 · 10^-4 К).