Физические основы получения низких температур Основы искусственного охлаждения

Из физики известно, что понятие «холод» и теплота условны, т.к. их физическая природа одинакова. Теплота – это один из видов энергии, который может быть преобразован в ее другие виды и наоборот. Теплота может переходить от одного вещества (тела) к другому лишь при наличии разности температур между ними.

Вещества, находятся в одном из трех основных фазовых (агрегатных) состояний – твердом, жидком и газообразном в зависимости от окружающих условий (давления, температуры) и могут переходить из одного состояния в другое при подводе или отводе теплоты, вызывающей изменение строения вещества.

Твердая фаза – агрегатное состояние вещества, характеризуемое жесткой молекулярной структурой. Твердое тело сохраняет свою форму и размеры, практически не сжимается.

Жидкая фаза – агрегатное состояние вещества, молекулы которого обладают большей энергией, чем молекулы твердого тела, не так плотно соединены друг с другом. Это позволяет им более легко преодолевать силы взаимного притяжения.

Жидкость практически не сжимается, сохраняет свой объем. Наиболее характерная особенность жидкости – текучесть, благодаря которой она приобретает форму сосуда, в котором находится.

Газовая или паровая фаза – агрегатное состояние вещества, молекулы которого, обладающие большей энергией, чем молекулы жидкости, не связаны силами взаимного притяжения и движутся свободно. Газ легко сжимается и заполняет весь объем сосуда, в котором находится.

Пар отличается от газа тем, что его состояние близко к жидкому состоянию. Газ – это сильно перегретый пар. В парокомпрессионных машинах рабочее вещество обычно находится в жидком и парообразном состоянии, в отличие от так называемых газовых холодильных машин, в которых рабочее вещество – газ – не меняет своего агрегатного состояния.

Если температура вещества выше температуры окружающей среды, то его называют горячим (теплым или нагретым). Самопроизвольное понижение температуры вещества до температуры окружающей среды называют естественным охлаждением. Понижение температуры вещества ниже температуры окружающей среды возможно путем искусственного охлаждения, а само вещество, температура которого ниже температуры окружающей среды, называют холодным.

Понятие «холод» и «охлаждение» весьма условны, они имеют смысл лишь применительно к окружающей среде или телу, когда от них отводится теплота тем или иным способом. Физический же смысл имеют понятия «теплота», «отвод (подвод) теплоты», «нагретость». Физическая природа процессов охлаждения и нагревания одинакова. Эти процессы обусловлены скоростью движения молекул в телах, от которых зависит степень их нагретости.

Таким образом, исходя из относительности понятий холода и теплоты, можно дать следующее определение:

Холод – это теплота, отводимая от вещества, температура которого ниже температуры окружающей среды.

Параметры состояния вещества

Процессы взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых и холодильных машинах осуществляется с помощью вещества, называемого рабочим телом. Например, в ДВС и газотурбинных установках рабочим телом является смесь воздуха и бензина, в паровых – пар, в холодильных машинах - холодильный агент (хладагент).

Физическое состояние рабочего тела характеризуется величинами, которые называют термодинамическими параметрами состояния. В качестве основных параметров принимают удельный объем, абсолютную температуру и абсолютное давление. Изменение одного или нескольких параметров состояния тела называют термодинамическим процессом.

Удельный объем – объем единицы вещества, м³/кг:

где - объем вещества, м³; - масса вещества, кг.

Плотность – отношение массы к объему, м³/кг:

.

Температура – это параметр состояния и мера измерения теплового воздействия на тело. Тепловое состояние тела характеризуется степенью его нагретости. Температура является показателем средней скорости движения молекул тела. В соответствии с МКТ (молекулярно-кинетическая теория), если внутренняя кинетическая энергия уменьшается до нуля, то температура тела понижается до абсолютного нуля, т.е. до полного прекращения движения молекул.

По температурному уровню различают области: умеренного холода – от температуры окружающей среды (20С) до -120С; и глубинного холода – от -120С до абсолютного нуля (-273,15С):

; .

Давление – в результате совокупности ударов беспорядочно движущихся молекул газа (жидкости) давят на стенки сосуда, в котором находятся. Отношение силы действующей со стороны газа (жидкости), к площади поверхности стенки сосуда называют давлением. За единицу давления принимают 1Па – сила в 1Н к поверхности 1м² (Па=Н/м²). Давление ниже атмосферного называют разряжением или остаточным.

Количество теплоты Q измеряют в джоулях (Дж) или кДж.

Тепловой поток (тоже Q) – это количество теплоты, отдаваемое (подводимое) от вещества (к веществу) в 1 секунду, т.е. Дж/с или кДж/с, но Дж/с=1Вт, а 1кДж=1кВт, т.е. тепловой поток выражают также как и мощность.

Удельная теплоемкость - это количество теплоты в Дж, которое необходимо отвести от вещества массой 1кг, чтобы понизить его температуру на 1С. Эта величина зависит от температуры вещества и его агрегатного состояния.

При отводе (подводе) теплоты переход через определенный температурный предел вызывает изменение агрегатного состояния вещества. Так при отводе теплоты от воды, когда ее температура снизится до 0С, вода замерзнет, а при подводе теплоты, когда температура поднялась до 100С, вода закипает.