8.3. Расширение из постоянного объема

При выходе газа из сосуда им совершается работа выталкивания, направленная на преодоление сил внешнего давления. Совершаемая при адиабатном расширении газа работа полезно не используется. Схема установки показана на рис. 8.5. В баллоне 1 объемом V_н находится газ при давлении р_н и температуре Т_н. При открытии вентиля В газ выходит допустим в емкость 2 большего объема V_к давление резко падает до р_к. При этом совершается работа

А = р_к (V_к - V_н).

Для адиабатических условий (Q = 0) эта работа равносильна изменению внутренней энергии

и _к – и _н = р_к (V_к - V_н). (8.14)

учитывая соотношения и = i– pV определим тепловой эффект процесса

= р_нV_н . (8.15)

Для случая идеального газа, где р_нV_н = RT_н и Δi = c_pΔT определяем происходящие изменения температуры

ΔТ = Т_н – Т_к = , (8.16)

где n – показатель адиабаты.

Этот процесс хотя и имеет место в природе, но используется он не столь широко, как предыдущие, которые являются, что мы увидим ниже, основными для систем ожижения газа.

8.4. Десорбционное охлаждение

В основе десорбционного охлаждения лежит тепловой эффект адсорбции. Впервые он был предложен Симоном.

Ранее мы знакомились с процессами сорбции и отмечали, что поглощение молекул газа поверхностью твердого тела сопровождается выделением тепла. Поэтому для поддержания процесса поглощения газа адсорбционные насосы охлаждаются, например, жидкими азотом, водородом или гелием. Обратный же процесс - десорбция, сопровождается поглощением тепла, что и используется для целей охлаждения.

Рассмотрим схему одной из известных установок (рис. 8.6.) .В сосуд Дьюара 6 с жидким водородом и закрытый капкой 7 помещается камера 4, в которой размещается еще одна – содержащая рабочий объем 1. Полость 2 заполнена активированным углем - адсорбентом. Для охлаждения адсорбента в камеру 4 напускается теплообменный газ (гелий) и адсорбент по мере охлаждения поглощает газообразный гелий, входящий по трубе 10. Выделяемая при этом теплота адсорбции через теплообменный газ отводится к жидкому водороду и процесс этот изотермичен. После этого теплообменный газ из камеры 4 откачивается и там создается вакуум.

Полость 2, таким образом, адиабатически изолируется. После этого начинается процесс десорбции гелия из активированного угля за счет его откачки вакуумным насосом через клапан по трубопроводу 9. В объеме 3 находится жидкий водород, который тоже откачивается вакуумным насосом до давления 53 Тор (тройная точка) и температура его понижается до 10 К, что обеспечивает более интенсивное охлаждение адсорбента. В результате поглощения тепла в изолированной системе температура далее понижается и если вначале процесса, она составляет 12-14 К, то конечная температура может достичь 4 К.

К достоинствам этого метода относится простота, отсутствие компрессора, малое потребное для охлаждения количество гелия. Недостатками же являются обязательное наличие жидкого или твердого водорода, а также периодичность ее действия, которая обеспечивается включением – выключением клапанов на трубопроводах 9 и 10.