2. Физические принципы получения низких температур.

2.1. Фазовый переход.

Любое вещество может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При определенных условиях возможно одновременное состояние вещества сразу в нескольких фазах. Например, в жидкой и газообразной, газообразной и твердой, твердой и жидкой фазах. В тройной точке вещество может находиться сразу в трех фазах.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом. Фазовая диаграмма для чистых веществ показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Термодинамическая диаграмма состояния вещества.

На диаграмме кривая I обозначает равновесие пар-жидкость (кипение-конденсация), кривая II – равновесие жидкость - твердое вещество плавление - кристаллизация), III - равновесие твердое тело-пар (сублимация - десублимация), точка А – тройная точка.

Фазовые переходы сопровождаются процессами выделения или поглощения теплоты без изменения температуры рабочего вещества. В этом случае выделяемая или поглощаемая теплота фазового перехода расходуется на преодоление сил сцепления между молекулами. При выделении теплоты происходит нагрев какого-либо тела, помещенного в рабочее вещество. При поглощении теплоты, наоборот, от тела отнимается теплота и происходит его охлаждение.

К фазовым переходам с выделением теплоты относятся кристаллизация, конденсация, десублимация и др. Такие процессы в холодильной технике для получения низких температур не применяются.

Для получения температур ниже температуры окружающей среды используются фазовые переходы, которые сопровождаются поглощением теплоты. К ним относятся плавление, кипение, испарение и сублимация.

Плавление.

Плавлением называется процесс фазового перехода рабочего вещества из твердого состояния в жидкое, при сообщении ему теплоты. Наиболее широко для получения низких положительных температур применяется водный лед. Его температура плавления при атмосферном давлении равна 0^оС, удельная теплота плавления составляет 334 КДж/кг. Недостатком охлаждения с помощью водного льда является невозможность получения отрицательных температур. Если кусочки водного льда смешать с какой-либо солью, то можно снизить температуру его плавления до отрицательных значений. Температура таяния льдосоляной смеси зависит от вида соли и ее концентрации. Так, например, добавление 20 % хлористого натрия позволяет снизить температуру плавления льда до - 13,7^оС. Однако существует определенная концентрация соли, выше которой не происходит снижения температуры плавления смеси. Эта температура является самой низкой для данной смеси. С увеличением концентрации соли в воде температура плавления снижается. При какой-то определенной концентрации ξЕ наблюдается самая низкая температура плавления. Дальнейшее увеличение концентрации не приводит к снижению температуры плавления. Раствор состояния т. Е называется эвтектикой, а концентрация и температура эвтектическими.

В транспортных холодильных установках для охлаждения рефрижераторов применяется плавление эвтектического льда в зероторах. Эвтектический лед представляет собой замороженный водно-соляной раствор с криогидратной или эвтектической концентрацией соли. Температура плавления эвтектического льда, например, с солью СаCl₂ равна -55^оС.

Кипение.

Кипением называется процесс перехода рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости. Для осуществления процесса кипения необходимо постоянно подводить теплоту. Каждое вещество характеризуется определенной температурой кипения, которая зависит от давления в сосуде. Повышая или понижая давление можно изменять температуру кипения рабочего вещества.

Жидкости с низкими температурами кипения используются для получения холода в паровых холодильных машинах. Например, температура кипения хладона 22 при атмосферном давлении равна -41^оС, аммиака - -33^оС, хладона 142"В" - 9^оС.

Испарение.

Испарением называется переход рабочего вещества из жидкого состояния в газообразное только с поверхности жидкости. В герметически закрытом сосуде между жидкостью и паром устанавливается динамическое равновесие, то есть количество молекул вещества выходящих из жидкости в пар равно количеству молекул переходящих из пара в жидкость. Определенному давлению при этом соответствует определенная температура. Нарушение динамического равновесия приводит к процессам, стремящимся восстановить его вновь. Если из сосуда начать откачивать пар, то давление начнет уменьшаться и количество молекул выходящих из жидкости значительно превысит количество молекул переходящих из пара в жидкость. В этом случае теплота будет поглощается от самого рабочего вещества и температура жидкости понизится.

Сублимация.

Сублимацией называется переход рабочего вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу. Для получения низких температур чаще всего используется сублимация твердого диоксида углерода СО₂. Так как при сублимации он не образует жидкости, то его еще называют "сухим" льдом. Температура сублимации "сухого" льда при атмосферном давлении составляет -78,5^оС, теплота сублимации равна 573 КДж/кг.