Физические принципы получения низких температур

Охлаждением

называется процесс понижения температуры охлаждаемого тела. Различают естественное и искусственное охлаждение. При естественном охлаждении теплота от более нагретого тела переходит к менее нагретому телу (среде). Искусственное охлаждение предполагает получение температуры охлаждаемой среды ниже температуры окружаемой среды. Для создания низких температур применяют физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты.

К основным физическим процессам, сопровождающимся поглощением теплоты, относится фазовый переход вещества при котором происходит поглощение теплоты извне: плавление или таяние при переходе тела из твёрдого состояния в жидкое, испарение или кипение при переходе тела из жидкого в парообразное состояние, сублимация при переходе тела из твёрдого состояния непосредственно в газообразное. Искусственное охлаждение может быть основано и на других физических принципах, например адиабатическом дросселировании газа с начальной температурой, меньшей, чем температура верхней точки инверсии; адиабатическом расширении газа с отдачей полезной внешней работы; вихревом эффекте; термоэлектрическом эффекте.

Диапазон низких температур - от температур окружающей среды да температур , близких к абсолютному нулю, - условно подразделяют на область умеренно низких (до - 153°C, или 120 k) и криогенных (ниже 120 K) температур.

Фазовый переход вещества

при плавлении, кипении, сублимации происходит при соответствующих температурах и с поглощением значительного количества теплоты.

Для получения низких температур, но не ниже 0° C, может быть применён водный лёд, который при атмосферном давлении плавится при 0° C и имеет сравнительно большую величину удельной теплоты плавления 335 кДж/кг. При давлении ниже атмосферного сублимация водного льда происходит при температуре ниже 0° C, что используют при сублимационной сушке пищевых продуктов.

Более низкие температуры плавления можно получить, смешивая лёд с некоторыми солями, например с хлоридом кальция (рис. 1.1).

0 5 10 15 20 25 30 ξ%

Рис. 1.1. Диаграмма состояния системы хлорид кальция – лёд.

Самая низкая температура плавления смеси хлорида кальция со льдом достигает в криогидратной (эвтектической) точке. Она равна - 55° С при массовой концентрации хлорида кальция ξ22,9%. Источником низкой температуры может служить твёрдая углекислота (сухой лёд), имеющий при атмосферном давлении температуру сублимации – 78,5° С и удельную теплоту 574 кДж/кг.

Получение низких температур в результате использования процесса кипения распространено более широко. С помощью одного вещества можно получить определённый интервал температур, поскольку температура кипения веществ зависит от давления: с уменьшением давления температура кипения его 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

называется процесс необратимого перехода газа (жидкости) с высокого давления на низкое (расширение) при прохождение его через сужение поперечного сечения (перегородка с отверстием, пористая перегородка) без совершения внешней работы и без сообщения и отнятия теплоты.

Процесс протекает быстро, вследствие чего теплообмен с окружающей средой практически не происходит и энтальпия1 вещества не изменяется. Полезная же работа не совершается, так как работа проталкивания переходит в теплоту трения.

При адиабатическом дросселировании реального газа, в отличии от идеального в следствии изменения внутренней энергии производится работа против сил взаимодействия молекул. Это приводит к изменению температуры газа. Изменение температуры реального газа при дросселировании называется эффектом Джоуля – Томпсона.

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

Точка, соответствующая начальному состоянию газа, в котором температура газа при адиабатическом дросселировании не изменяется и, следовательно, изменяется знак температурного эффекта, называется точкой инверсии, а температура, соответствующая этой точке, температурной инверсией. Точку инверсии можно определить, построив в координатах TV (температура – объём газа) изобару и проведя к ней касательную из начала координат.

При начальных температурах газа, которые меньше температуры инверсии, реальный газ при дросселировании будет охлаждаться а при начальных температурах больше температуры инверсии - нагреваться.

Большинство газов, за исключением водорода и гелия, имеет 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.