Десорбционное охлаждение.

Процесс физической адсорбции можно использовать для создания систем охлаждения. Метод предложен и впервые осуществлен Ф. Симоном (1928 г.). Рабочая среда находится в газообразном состоянии, а уменьшение энтропии происходит в результате проявления адсорбционных сил, возникающих между поверхностью твердого тела и адсорбируемым газом. Природа этих сил обусловлена ионным взаимодействием. В качестве адсорбентов обычно используют активированный уголь, цеолиты и другие поверхностно-активные материалы. Процесс адсорбции и обратный ему процесс – десорбция – сопровождаются тепловыми эффектами.

Захват молекул газа поверхностью твердого тела (адсорбция) приводит к выделению теплоты, эквивалентной изменению кинетической энергии молекул газа. Отрыв молекул от поверхности адсорбента (десорбция) требует затрат энергии и сопровождается поглощением теплоты. Десорбция, проведенная в адиабатных условиях, приводит к снижению температуры.

На рис. 90 приведена схема аппарата для реализации этого процесса охлаждения. Аппарат состоит из сосуда Дьюара 6, в котором расположен вакуумный кожух 4. Внутри кожуха имеется сосуд 3, заполненный адсорбентом 2 (активированным углем). Охлаждаемая камера 1 предназначена для экспериментальных целей. Сосуд Дьюара заполнен жидким водородом 5, а вакуумный кожух – теплообменным газом (гелием) для установления теплового контакта между жидкими Н₂ и адсорбентом. Охлажденный водородом адсорбент интенсивно поглощает газообразный гелий, поступающий по линии 9. Выделяющаяся теплота адсорбции поглощается жидким водородом; процесс изотермичен. Температура водорода является исходным уровнем процесса (T₀). Откачкой водорода из сосуда 3 вакуумным насосом по линии 7 можно обеспечить Т₀ до 10 К. Затем теплообменный газ удаляется вакуумированием по линии 10, адсорбент адиабатически изолируется, начинается десорбция гелия откачкой его вакуумным насосом через линию 8; в результате в изолированном сосуде 2 (с адсорбентом) температура падает до T_х≈4,0 К при Т₀=14…10 К.

Если вместо водорода использовать жидкий воздух или кислород (T₀≈90 К), а вместо гелия – неон, то в интервале давлений 0,17–1,6 МПа можно достичь температуры Т_х≈68 К (∆Τ=22 К).

Десорбционное устройство просто по конструкции; холодопроизводительность достаточно велика, однако в его классическом варианте (показанном на рис. 90) возможна реализация лишь периодического процесса без регенерации теплоты.

20. Процессы охлаждения, основанные на использовании свойств ⁴Не и ³Не.

Охлаждение растворением ³Не в ⁴Не. В 1951 г. Г. Лондон обосновал метод получения сверхнизких температур, основанный на использовании теплового эффекта при растворении жидкого ³Не в ⁴Не. Поглощение теплоты в процессе растворения возможно благодаря особым свойствам и характеру взаимодействия этих ожиженных изотопов. ⁴He имеет нулевой ядерный спин; его квантово-механическое описание подчиняется статистике Бозе–Эйнштейна. ³He имеет ядерный спин 1/2; поведение его следует статистике Ферми–Дирака. Этим объясняется различие свойств ³Не и ⁴Не.

В рассматриваемой области температур (<1 К) жидкий ⁴Не находится в сверхтекучем состоянии, имеет почти нулевую вязкость и энтропию, которая снижается пропорционально T³. Эта жидкость является инертной в гидродинамическом и тепловом отношении. Другому изотопу ³Не такое поведение несвойственно; он не переходит в сверхтекучее состояние вплоть до 3·10^-3 К, его энтропия существенно выше, чем у ⁴Не. Теплоемкость ³Не также значительно больше теплоемкости ⁴Не. При растворении ³Не в ⁴Не атомы этих жидкостей не взаимодействуют между собой из-за инертности ⁴Не, следовательно, переход ³Не в объем, заполненный ⁴Не, где концентрация атомов ³Не мала, аналогичен процессу его расширения в пустоту, сопровождающемуся поглощением энергии. При этом в слабом растворе возникает как бы газообразная фаза из атомов ³Не, для которых ⁴Не является лишь поддерживающей средой.

Таким образом, процесс растворения приводит к изменению (уменьшению) упорядоченности системы в результате перехода жидкость–газ; энтропия ³Не возрастает. Растворение сопровождается поглощением теплоты перехода из одной фазы (чистый ³Не) в другую (слабый раствор ³Не), как и при испарении обычной жидкости. Растворение в адиабатных условиях приводит к охлаждению.

Охлаждение адиабатной кристаллизацией(эффект Померанчука). В 1950 г. И.Я. Померанчук предложил метод охлаждения, основанный на особых свойствах изотопа ³Не. Кривая плавления p=f(T), отражающая равновесие жидкой и твердой фаз для ³Не, имеет совершенно особый характер по сравнению с остальными веществами. При температуре 0,32 К и равновесном давлении 2,93 МПа кривая плавления ³Не имеет минимум. В этой точке энтропии твердой и жидкой фаз одинаковы и равны s=R×ln2. При дальнейшем снижении температуры ход изменения энтропии обеих фаз определяется особыми квантово-механическими свойствами ³Не. В обычных системах энтропия жидкости всегда больше энтропии кристалла, поскольку в кристалле упорядоченность выше. В ³Не при Т<0,32 К энтропия твердой фазы, наоборот, больше энтропии жидкости, которая имеет более высокую упорядоченность.

Вследствие этого переход жидкость–кристалл в результате сжатия при Т=const сопровождается скачком энтропии и поглощением теплоты Q. При адиабатных условиях (s=const) это приводит к снижению температуры.